JVM知识汇总

2022-02-24 本文已影响0人三十五岁养老

本文是学习之后的总结。一是为了梳理知识点，归纳总结，二是为了分享交流，如有错误之处还望指出。
[参考文献]
1、https://blog.csdn.net/qq_41701956/article/details/81664921
2、https://blog.csdn.net/qq_41701956/article/details/80020103
3、https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI4NDY5Mjc1Mg==&mid=2247484038&idx=1&sn=e083cc8b248461c8916a819119b059c3&chksm=ebf6daf9dc8153ef27ecd857e6cc85372735e84042679c133892d0993074371a46dd2c28b8b3&scene=21#wechat_redirect

JVM(Java Virtual Machine，Java虚拟机)

Java程序的跨平台特性主要是指字节码文件可以在任何具有Java虚拟机的计算机或者电子设备上运行，Java虚拟机中的Java解释器负责将字节码文件解释成为特定的机器码进行运行。因此在运行时，Java源程序需要通过编译器编译成为.class文件。

JVM 内存

[参考资料] (https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI4NDY5Mjc1Mg==&mid=2247483949&idx=1&sn=8b69d833bbc805e63d5b2fa7c73655f5&chksm=ebf6da52dc815344add64af6fb78fee439c8c27b539b3c0e87d8f6861c8422144d516ae0a837&scene=21#wechat_redirect
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Java虚拟机内存结构分：JVM堆、方法区、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器

JVM 内存模型

程序计数器
线程私有，Java虚拟机是通过分配CPU处理时间来轮流切换执行线程的方式实现多线程的。在每个线程创建之初，会为每个线程分配程序计数器，用于记录CPU切换时当前线程的执行位置，以便CPU再次切换执行该线程时能准确接着之前的程序执行，每个线程都需有独立的一个程序计数器，不同线程之间的程序计数器互不影响，独立存储。
虚拟机栈
线程私有，生命周期和线程一致。描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法在执行时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行结束，就对应着一个栈帧从虚拟机栈中入栈到出栈的过程
局部变量表：存放了编译期可知的各种基本类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference 类型，非基本类型的对象在JVM栈上仅存放一个指向堆上的地址)和 returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址)
StackOverflowError：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度。
OutOfMemoryError：如果虚拟机栈可以动态扩展，而扩展时无法申请到足够的内存
本地方法栈
线程私有，区别于 Java 虚拟机栈的是，Java 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法(也就是字节码)服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。也会有 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。
方法区
线程共享的运行时内存区域，加载的类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态变量、类中定义为final类型的常量、类中的方法信息，在程序中通过Class对象中的getName、isInterface等方法来获取信息时，这些数据都来源于方法区域，同时方法区域也是全局共享的，在一定的条件下它也会被GC，当方法区域需要使用的内存超过其允许的大小时，会抛出OutOfMemory的错误信息。当两个线程同时需要加载一个类型时，只有一个类会请求ClassLoader加载，另一个线程会等待
堆
线程共享，Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。堆被划分成两个不同的区域：新生代 ( Young )、老年代 ( Old )。
新生代（Young Generation）主要是用来存放新生的对象。
老生代（Old Generation）主要存放应用程序中生命周期长的内存对象。
在新生代中经过多次垃圾回收仍然存活的对象，会被存放到老生代中

内存区域中的程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈这3个区域随着线程而生，线程而灭；栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈的操作，每个栈帧中分配多少内存基本是在类结构确定下来时就已知的

Java对象在内存中的状态

可达的：Java对象被创建后，如果被一个或多个变量引用，那就是可达的。即从根节点可以触及到这个对象。
其实就是从根节点扫描，只要这个对象在引用链中，那就是可触及的。
可恢复的：Java对象不再被任何变量引用就进入了可恢复状态。
在回收该对象之前，该对象的finalize()方法进行资源清理。如果在finalize()方法中重新让变量引用该对象，则该对象再次变为可达状态，否则该对象进入不可达状态
不可达的：Java对象不被任何变量引用，且系统在调用对象的finalize()方法后依然没有使该对象变成可达状态（该对象依然没有被变量引用），那么该对象将变成不可达状态。当Java对象处于不可达状态时，系统才会真正回收该对象所占有的资源。

JVM 类加载

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个 java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的 Class对象， Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

加载.class的方式

从本地系统中直接加载
通过网络下载.class文件
从zip，jar等归档文件中加载.class文件
从专有数据库中提取.class文件
将Java源文件动态编译为.class文件

类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段

加载

查找并加载类的二进制数据，在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象

通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流。
将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。
在Java堆中生成一个代表这个类的 java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。

开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载，也可以自定义自己的类加载器来完成加载。

验证

验证：确保被加载的类的正确性（文件格式、元数据、字节码、符号引用验证）

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用 -Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

准备

为类的 静态变量分配内存，并将其初始化为默认值

分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。
这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。假设一个类变量的定义为： public static int value=3；那么变量value在准备阶段过后的初始值为0，而不是3
对于类变量（static）和全局变量，如果不显式地对其赋值而直接使用，则系统会为其赋予默认的零值，而对于局部变量来说，在使用前必须显式地为其赋值，否则编译时不通过。
对于同时被static和final修饰的常量，必须在声明的时候就为其显式地赋值，否则编译时不通过；而只被final修饰的常量则既可以在声明时显式地为其赋值，也可以在类初始化时显式地为其赋值，总之，在使用前必须为其显式地赋值，系统不会为其赋予默认零值。
如果类字段的字段属性表中存在 ConstantValue属性，即同时被final和static修饰，那么在准备阶段变量value就会被初始化为ConstValue属性所指定的值。假设上面的类变量value被定义为： publicstaticfinalintvalue=3；
编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据 ConstantValue的设置将value赋值为3

解析

解析：把类中的符号引用转换为直接引用
解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。

初始化

为类的静态变量赋予正确的初始值，JVM负责对类进行初始化，主要对类变量进行初始化。
在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式：
①声明类变量是指定初始值
②使用静态代码块为类变量指定初始值
JVM初始化步骤

假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类
假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类
假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句

类初始化时机：只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下六种：

创建类的实例，也就是new的方式
访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
调用类的静态方法
反射（如 Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”)）
初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化
Java虚拟机启动时被标明为启动类的类（ JavaTest），直接使用 java.exe-命令来运行某个主类

结束生命周期
在如下几种情况下，Java虚拟机将结束生命周期

执行了 System.exit()方法
程序正常执行结束
程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止

类加载器

类加载器可以大致划分为以下三类：

启动类加载器： BootstrapClassLoader，负责加载存放在 JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安装目录，下同)下，或被 -Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库（如rt.jar，所有的java.开头的类均被 BootstrapClassLoader加载）。启动类加载器是无法被Java程序直接引用的。
扩展类加载器： ExtensionClassLoader，该加载器由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载 JDK\jre\lib\ext目录中，或者由 java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库（如javax.开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。
应用程序类加载器： ApplicationClassLoader，该类加载器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

类加载机制

全盘负责，当一个类加载器负责加载某个Class时，该Class所依赖的和引用的其他Class也将由该类加载器负责载入，除非显示使用另外一个类加载器来载入
父类委托，先让父类加载器试图加载该类，只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类
缓存机制，缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存，当程序中需要使用某个Class时，类加载器先从缓存区寻找该Class，只有缓存区不存在，系统才会读取该类对应的二进制数据，并将其转换成Class对象，存入缓存区。这就是为什么修改了Class后，必须重启JVM，程序的修改才会生效

双亲委托模式的好处

避免重复加载，如果已经加载过一次Class，则不需要再次加载，而是直接读取已经加载的Class
更加安全，确保，java核心api中定义类型不会被随意替换，比如，采用双亲委托模式可以使得系统在Java虚拟机启动时旧加载了String类，也就无法用自定义的String类来替换系统的String类，这样便可以防止核心API库被随意篡改。

JVM GC

[参考资料]https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI4NDY5Mjc1Mg==&mid=2247483952&idx=1&sn=ea12792a9b7c67baddfaf425d8272d33&chksm=ebf6da4fdc815359869107a4acd15538b3596ba006b4005b216688b69372650dbd18c0184643&scene=21#wechat_redirect
jvm 中，程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈都是随线程而生随线程而灭，栈帧随着方法的进入和退出做入栈和出栈操作，实现了自动的内存清理，因此，我们的内存垃圾回收主要集中于 java 堆和方法区中，在程序运行期间，这部分内存的分配和使用都是动态的.

对象存活判断

引用计数：每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，计数为0时可以回收。此方法简单，无法解决对象相互循环引用的问题。
优点：算法的实现简单，判定效率也高，大部分情况下是一个不错的算法。很多地方应用到它
缺点：引用和去引用伴随加法和减法，影响性能，对于循环引用的对象无法进行回收
可达性分析（Reachability Analysis）：从GC Roots开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当任何一个根对象到某一个对象均不可达时，则认为这个对象是可以被回收的。不可达对象。
在Java语言中，GC Roots包括：
1. 虚拟机栈中引用的对象。
2. 方法区中类静态属性实体引用的对象。
3. 方法区中常量引用的对象。
4. 本地方法栈中JNI引用的对象。

标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法。这三种算法都扩充了根搜索算法，

GC算法

GC最基础的算法有三种：标记 -清除算法、复制算法、标记-压缩算法，常用的垃圾回收器一般都采用分代收集算法。

标记 -清除算法

标记阶段：先通过根节点，标记所有从根节点开始的可达对象。因此，未被标记的对象就是未被引用的垃圾对象；
清除阶段：清除所有未被标记的对象。
缺点：
标记和清除的过程效率不高（标记和清除都需要从头遍历到尾）
标记清除后会产生大量不连续的碎片，当程序在以后的运行过程中需要分配较大对象时无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

复制算法

将原有的内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时，将正在使用的内存中的存活对象复制到未使用的内存块中，然后清除正在使用的内存块中的所有对象。
优点：这样使得每次都是对整个半区进行回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等情况
只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行效率高
缺点：空间的浪费复制算法要想使用，最起码对象的存活率要非常低才行

标记-整理算法

标记阶段：先通过根节点，标记所有从根节点开始的可达对象。因此，未被标记的对象就是未被引用的垃圾对象
整理阶段：将将所有的存活对象压缩到内存的一端；之后，清理边界外所有的空间
优点：不会产生内存碎片。可以弥补标记-清除算法当中，内存区域分散的缺点，也消除了复制算法当中，内存减半的高额代价。
缺点：在标记的基础之上还需要进行对象的移动，成本相对较高，效率也不高。

分代收集算法

GC分代的基本假设：绝大部分对象的生命周期都非常短暂，存活时间短。
“分代收集”（Generational Collection）算法，把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记-清理”或“标记-整理”算法来进行回收。

CMS收集器更加关注停顿，它在做GC的时候是和用户线程一起工作的（并发执行），如果使用标记整理算法的话，那么在清理的时候就会去移动可用对象的内存空间，那么应用程序的线程就很有可能找不到应用对象在哪里。故CMS收集器使用标记清除算法而不是使用标记整理算法。

新生代：新建的对象都是用新生代分配内存，比如我们在方法中去new一个对象，那这方法调用完毕后，对象就会被回收，这就是一个典型的新生代对象。Eden空间不足的时候，会把存活的对象转移到Survivor中，
新生代大小可以由-Xmn来控制，也可以用-XX:SurvivorRatio来控制Eden和Survivor的比例。
老年代：在新生代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象就会被放到老年代中。而且大对象直接进入老年代。
永久代：方法区

JVM 性能优化

JVM 常见问题

[参考资料]https://www.cnblogs.com/alsf/p/9388233.html

对象创建过程

new一个对象时，会在堆内存开辟一块空间，并给该空间分配一个地址；
把该对象的所有非静态成员加载到该空间下，所有非静态成员加载完成后，对其进行默认初始化；
非静态成员初始化完成以后，调用构造方法。调用构造方法又分以下几步：
调用super()方法，有时候构造方法是this(),那么一直调用下去；如果两者都不存在，就调用父类默认构造函数；
显式初始化非静态成员；
执行构造代码块

Student s = new Student();在内存中做了哪些事情?

加载Student.class文件进内存
在栈内存为s开辟空间
在堆内存为学生对象开辟空间
对学生对象的成员变量进行默认初始化
对学生对象的成员变量进行显示初始化
通过构造方法对学生对象的成员变量赋值
学生对象初始化完毕，把对象地址赋值给s变量