JAVA—JVM详解

2年前 (2022) 程序员胖胖胖虎阿

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JAVA—JVM详解

一、JVM

1、什么是JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。
引入Java语言虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。
通过JVM，Java实现了平台无关性，Java语言在不同平台运行时不需要重新编译，只需要在该平台上部署JVM就可以了。因而能实现一次编译多处运行。

2、JRE和JDK

JRE：Java Runtime Environment，也就是JVM的运行平台，联系平时用的虚拟机，大概可以理解成JRE=虚拟机平台+虚拟机本体(JVM)。类似于你电脑上的VMWare+适用于VMWare的Ubuntu虚拟机。这样我们也就明白了JVM到底是个什么。
JDK：Java Develop Kit，Java的开发工具包，JDK本体也是Java程序，因此运行依赖于JRE,由于需要保持JDK的独立性与完整性，JDK的安装目录下通常也附有JRE。目前Oracle提供的Windows下的JDK安装工具会同时安装一个正常的JRE和隶属于JDK目录下的JRE。

3、JVM位置

JAVA—JVM详解

4、JVM体系结构

简图：
详图：

二、JVM详解

5、ClassLoader（类加载器）

（1）、类加载的机制的层次结构

每个编写的".java"拓展名类文件都存储着需要执行的程序逻辑，这些".java"文件经过Java编译器编译成拓展名为".class"的文件，".class"文件中保存着Java代码经转换后的虚拟机指令，当需要使用某个类时，虚拟机将会加载它的".class"文件，并创建对应的class对象，将class文件加载到虚拟机的内存，这个过程称为类加载，这里我们需要了解一下类加载的过程，如下：
JAVA—JVM详解
在虚拟机提供了3种类加载器，引导（Bootstrap）类加载器、扩展（Extension）类加载器、系统（System）类加载器（也称应用类加载器），下面分别介绍

启动（Bootstrap）类加载器
启动类加载器主要加载的是JVM自身需要的类，这个类加载使用C++语言实现的，是虚拟机自身的一部分，它负责将 <JAVA_HOME>/lib路径下的核心类库或-Xbootclasspath参数指定的路径下的jar包加载到内存中，注意必由于虚拟机是按照文件名识别加载jar包的，如rt.jar，如果文件名不被虚拟机识别，即使把jar包丢到lib目录下也是没有作用的(出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类)。
扩展（Extension）类加载器
扩展类加载器是指Sun公司(已被Oracle收购)实现的sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类，由Java语言实现的，是Launcher的静态内部类，它负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录下或者由系统变量-Djava.ext.dir指定位路径中的类库，开发者可以直接使用标准扩展类加载器。
系统（System）类加载器
也称应用程序加载器是指 Sun公司实现的sun.misc.Launcher$AppClassLoader。它负责加载系统类路径java -classpath或-D java.class.path 指定路径下的类库，也就是我们经常用到的classpath路径，开发者可以直接使用系统类加载器，一般情况下该类加载是程序中默认的类加载器，通过ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器。
全流程简图

//代码详解
public class TestClassLoader {
    public static void main(String[] args) {

        Person person_01 = new Person();
        Person person_02 = new Person();
        Person person_03 = new Person();

        //发现person_01，person_02，person_03的hashCode一致，代表这三个实例化对象隶属于一个Class，即Person
        System.out.println(person_01.hashCode());
        System.out.println(person_02.hashCode());
        System.out.println(person_03.hashCode());

        //Person实例化对象person_01通过getClass()方法得到Class对象Person
        Class Person = person_01.getClass();
        //Person通过getClassLoader()方法得到系统类加载器
        ClassLoader myClassLoader = Person.getClassLoader();
        System.out.println(myClassLoader.hashCode());
        //加载器对象myClassLoader通过getParent()方法得到拓展类加载器
        ClassLoader myParentClassLoader = myClassLoader.getParent();
        System.out.println(myParentClassLoader.hashCode());
        //加载器对象myGPClassLoader通过getParent()方法得到引导类加载器
        ClassLoader myGPClassLoader = myParentClassLoader.getParent();
        System.out.println(myGPClassLoader.hashCode()); //发现报错，无法通过方法获取引导类加载器
    }

}
class Person{}

（2）、双亲委派机制

双亲委派模式要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器，请注意双亲委派模式中的父子关系并非通常所说的类继承关系，而是采用组合关系来复用父类加载器的相关代码，类加载器间的关系如下：
双亲委派机制工作原理为如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行，如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载。
双亲委派机制优点：
- 因为双亲委派是向上委托加载的，所以它可以确保类只被加载一次， 避免重复加载 。
- Java的核心API都是通过引导类加载器进行加载的，如果别人通过定义同样路径的类比如java.lang.Integer，类加载器通过向上委托，两个Integer，那么最终被加载的应该是jdk的Integer类，而并非我们自定义的，这样就 避免了我们恶意篡改核心包的风险 。

6、沙箱安全机制

沙箱机制就是将 Java 代码限定在虚拟机(JVM)特定的运行范围中，并且严格限制代码对本地系统资源访问，通过这样的措施来保证对代码的有效隔离，防止对本地系统造成破坏。沙箱主要限制系统资源访问，那系统资源包括什么？——CPU、内存、文件系统、网络。
组成沙箱的基本组件：
- 1.字节码校验器(bytecode verifier) :确保Java类文件遵循Java语言规范。这样可以帮助Java程序实现内存保护。但并不是所有的类文件都会经过字节码校验，比如核心类。
- 2.类裝载器(class loader) :其中类装载器在3个方面对Java沙箱起作用
  防止恶意代码去干涉善意的代码;
  守护了被信任的类库边界;
  将代码归入保护域,确定了代码可以进行哪些操作。

7、本地方法栈（Native）

程序中使用：private native void start0();
1.凡是带了native关键字的，说明java的作用范围达不到了，回去调用底层c语言的库！
2.会进入本地方法栈，然后去调用本地方法接口将native方法引入执行
本地方法栈（Native Method Stack）
内存区域中专门开辟了一块标记区域: Native Method Stack，负责登记native方法，在执行引擎( Execution Engine )执行的时候通过本地方法接口（JNI）加载本地方法库中的方法。
本地方法接口（JNI）
本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序, Java在诞生的时候是C/C++横行的时候，想要立足，必须有调用C、C++的程序，然后在内存区域中专门开辟了一块标记区域: Native Method Stack，负责登记native方法，在执行引擎( Execution Engine )执行的时候通过本地方法接口（JNI）加载本地方法库中的方法。

8、PC程序计数器（了解）

程序计数器: Program Counter Register

每个线程都有一个程序计数器，是线程私有的，就是一个指针, 指向方法区中的方法字节码(用来存储指向像一条指令的地址，也即将要执行的指令代码)，在执行引擎读取下一条指令, 是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不计。
为什么需要程序计数器？
- 记录要执行的代码位置，防止线程切换重新执行字节码执行引擎修改程序计数器的值

9、方法区（Method Area）

方法区是被所有线程共享，所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法，如构造函数，接口代码也在此定义，简单说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，此区域属于共享区间。
静态变量（static）、常量（final）、类信息(构造方法、接口定义)（Class）、运行时的常量池存在方法区中，但是实例变量存在堆内存中，和方法区无关

10、栈

栈:后进先出,每个线程都有自己的栈，栈内存主管程序的运行,生命周期和线程同步,线程结束,栈内存也就是释放。
对于栈来说,不存在垃圾回收问题,一旦线程结束,栈就结束.
栈内存中运行:8大基本类型+对象引用+实例的方法.
栈运行原理:栈桢
栈满:StackOverflowError
栈细分4部分

例：int a=7；

局部变量表：存放局部变量（a）
操作数栈：存放操作数（7）
动态链接：将符号引用转成直接引用（符号引用就是你知道调用了谁，直接引用就是你拿到可要调用的方法的地址）
方法出口：方法结束

11、堆（重点）

一个JVM只有一个堆内存,堆内存的大小是可以调节的,类加载器读取类文件后,一般会把类,方法,常量,变量,我们所有引用类型的真实对象,放入堆中。
堆内存细分为三个区域:
- 新生区(伊甸园区):Young/New
- 养老区old
- 永久区Perm

新生区:类的诞生,成长和死亡的地方

分为:

伊甸园区:所有对象都在伊甸园区new出来
幸存0区和幸存1区:轻GC之后存下来的

老年区(养老区)：多次轻GC存活下来的对象放在老年区

真理:经过研究，99%的对象都是临时对象!

永久区

JAVA—JVM详解
注意：

元空间：逻辑上存在，物理上不存在，因为：存储在本地磁盘内,不占用虚拟机内存
JAVA—JVM详解
默认情况下,JVM使用的最大内存为电脑总内存的四分之一,JVM使用的初始化内存为电脑总内存的六十四分之一.

总结：

栈：基本类型的变量，对象的引用变量，实例对象的方法
堆：存放由new创建的对象和数组
方法区：Class对象，static变量，常量池（常量）

三、JVM调优

12、使用JPofiler工具分析OOM原因

下载地址：https://www.ej-technologies.com/download/jprofiler/version_92

13、常见JVM调优参数

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四、垃圾回收（GC）

无法手动垃圾回收，只能手动提醒，等待JVM自动回收
GC的作用区在堆（Heap）和方法区中
JVM进行GC时，并不是统一对这三区域（新生区，幸存区，老年区）统一回收，回收都是新生代
- 轻GC（普通GC）只针对于新生区，偶尔作用幸存区（在新生区满的情况下）
- 重GC（全局GC）全局释放内存

14、常见垃圾回收算法

1.引用计数算法
原理是此对象有一个引用，即增加一个计数，删除一个引用则减少一个计数。垃圾回收时，只用收集计数为 0 的对象。此算法最致命的是无法处理循环引用的问题。
2.复制算法
此算法把内存空间划为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。垃圾回收时，遍历当前使用区域，把正在使用中的对象复制到另外一个区域中，同时回收未使用的对象。此算法每次只处理正在使用中的对象，因此复制成本比较小，同时复制过去以后还能进行相应的内存整理。
优点：不会出现碎片化问题
缺点：需要两倍内存空间，浪费
3.标记-清除算法
此算法执行分两阶段。第一阶段从引用根节点开始标记所用存活的对象，第二阶段遍历整个堆，把未标记的对象清除。
优点：不会浪费内存空间
缺点：此算法需要暂停整个应用，同时，会产生内存碎片
4.标记-压缩算法
此算法结合了“标记-清除”和“复制”两个算法的优点。也是分两阶段，第一阶段从根节点开始标记所有存活的对象，第二阶段遍历整个堆，清除未标记对象并且把存活对象“压缩”到堆的其中一块，按顺序排放。
此算法避免了“标记-清除”的碎片问题，同时也避免了“复制”算法的空间问题。
总结：
- 内存效率（时间复杂度）：复制算法>标记清除算法>标记压缩算法
- 内存效率整齐度：复制算法=标记压缩算法>标记清除算法
- 内存利用率：标记清除算法=标记压缩算法>复制算法

15、分代回收策略

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1.绝大多数刚刚被创建的对象会存放在Eden区
2.当Eden区第一次满的时候，会触发MinorGC（轻GC）。首先将Eden区的垃圾对象回收清除，并将存活的对象复制到S0，此时S1是空的。
3.下一次Eden区满时，再执行一次垃圾回收，此次会将Eden和S0区中所有垃圾对象清除，并将存活对象复制到S1，此时S0变为空。
4.如此反复在S0和S1之间切换几次（默认15次）之后，还存活的对象将他们转移到老年代中。
5.当老年代满了时会触发FullGC（全GC）

MinorGC

使用的算法是复制算法
年轻代堆空间紧张时会被触发
相对于全收集而言，收集间隔较短

FullGC

使用的算法一般是标记压缩算法
当老年代堆空间满了，会触发全收集操作
可以使用 System.gc()方法来显式的启动全收集
全收集非常耗时

16、垃圾收集器

垃圾回收器的常规匹配：
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1.串行收集器（Serial）
Serial 收集器是 Hotspot 运行在 Client 模式下的默认新生代收集器, 它的特点是：单线程收集, 但它却简单而高效
2.并行收集器（ParNew）
ParNew 收集器其实是前面 Serial 的多线程版本
3.Parallel Scavenge 收集器
与 ParNew 类似, Parallel Scavenge 也是使用复制算法, 也是并行多线程收集器. 但与其
他收集器关注尽可能缩短垃圾收集时间不同, Parallel Scavenge 更关注系统吞吐量:
系统吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)
4.Serial Old 收集器
Serial Old 是 Serial 收集器的老年代版本, 同样是单线程收集器,使用“标记-整理”算法
5.Parallel Old 收集器
Parallel Old 是 Parallel Scavenge 收集器的老年代版本, 使用多线程和“标记－整理”算
法, 吞吐量优先
6.CMS 收集器（Concurrent Mark Sweep）
CMS是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器(CMS又称多并发低暂停的收集器),
基于”标记-清除”算法实现, 整个 GC 过程分为以下 4 个步骤:
初始标记(CMS initial mark)
并发标记(CMS concurrent mark: GC Roots Tracing 过程)
重新标记(CMS remark)
并发清除(CMS concurrent sweep: 已死对象将会就地释放, 注意:此处没有压缩)
7.G1 收集器
G1将堆内存“化整为零”，将堆内存划分成多个大小相等独立区域（Region），每一个Region都可以根据需要，扮演新生代的Eden空间、Survivor空间，或者老年代空间。收集器能够对扮演不同角色的Region采用不同的策略去处理，这样无论是新创建的对象还是已经存活了一段时间、熬过多次收集的旧对象都能获取很好的收集效果。

为什么要垃圾回收时要设计STW（stop the world）？

如果不设计STW，可能在垃圾回收时用户线程就执行完了，堆中的对象都失去了引用，全部变成了垃圾，索性就设计了STW，快速做完垃圾回收，再恢复用户线程运行。

五、JMM（java内存模型）

JMM（java内存模型）Java Memory Model，本身是一个抽象的概念，不是真实存在的，它描述的是一组规则或规范，通过这组规范定义了程序中各个变量（包括实例字段、静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式。
JAVA—JVM详解
JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（Main Memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory），本地内存中存储了该线程读/写共享变量的副本。

JMM内存模型三大特性

1、原子性
使用 synchronized 互斥锁来保证操作的原子性
2、可见性：
volatile，会强制将该变量自己和当时其他变量的状态都刷出缓存。
synchronized，对一个变量执行 unlock 操作之前，必须把变量值同步回主内存。
final，被 final 关键字修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且没有发生 this 逃逸（其它线程通过 this 引用访问到初始化了一半的对象），那么其它线程就能看见 final 字段的值。
3、有序性
源代码 -> 编译器优化的重排 -> 指令并行的重排 -> 内存系统的重排 ->最终执行的命令。
重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。
处理器在进行重排时必须考虑数据的依赖性，多线程环境线程交替执行，由于编译器优化重排的存在，两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的。