JVM 完整深入解析

JVM由浅入深预览

1、Java运行时数据区

2、JMM Java内存模型

3、堆的内存划分

4、GC垃圾回收

Java运行时数据区

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会将其管理的内存划分为若干个不同的数据区域,这些区域有各自的用途、创建和销毁的时间,有些区域随虚拟机进程的启动而存在,有些区域则是依赖用户线程的启动和结束来建立和销毁。Java虚拟机所管理的内存包括以下几个运行时数据区域,如图:

JVM 完整深入解析_第1张图片

1、程序计数器:指向当前线程正在执行的字节码指令。线程私有的。

2、虚拟机栈:虚拟机栈是Java执行方法的内存模型。每个方法被执行的时候,都会创建一个栈帧,把栈帧压人栈,当方法正常返回或者抛出未捕获的异常时,栈帧就会出栈。(1)栈帧:栈帧存储方法的相关信息,包含局部变量数表、返回值、操作数栈、动态链接 a、局部变量表:包含了方法执行过程中的所有变量。局部变量数组所需要的空间在编译期间完成分配,在方法运行期间不会改变局部变量数组的大小。b、返回值:如果有返回值的话,压入调用者栈帧中的操作数栈中,并且把PC的值指向 方法调用指令 后面的一条指令地址。c、操作数栈:操作变量的内存模型。操作数栈的最大深度在编译的时候已经确定(写入方法区code属性的max_stacks项中)。操作数栈的的元素可以是任意Java类型,包括long和double,32位数据占用栈空间为1,64位数据占用2。方法刚开始执行的时候,栈是空的,当方法执行过程中,各种字节码指令往栈中存取数据。d、动态链接:每个栈帧都持有在运行时常量池中该栈帧所属方法的引用,持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态链接。(2)线程私有

3、本地方法栈:(1)调用本地native的内存模型 (2)线程独享。

4、方法区:用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据 (1)线程共享的 (2)运行时常量池:A、是方法区的一部分
B、存放编译期生成的各种字面量和符号引用
C、Class文件中除了存有类的版本、字段、方法、接口等描述信息,还有一项是常量池,存有这个类的 编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后,存放到方法区的运行时常量池中。

5、堆(Heap):Java对象存储的地方 (1)Java堆是虚拟机管理的内存中最大的一块 (2)Java堆是所有线程共享的区域 (3)在虚拟机启动时创建 (4)此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有对象实例都在这里分配内存。存放new生成的对象和数组 (5)Java堆是垃圾收集器管理的内存区域,因此很多时候称为“GC堆”

JMM Java内存模型:

1、 Java的并发采用“共享内存”模型,线程之间通过读写内存的公共状态进行通讯。多个线程之间是不能通过直接传递数据交互的,它们之间交互只能通过共享变量实现。

2、 主要目的是定义程序中各个变量的访问规则。

3、 Java内存模型规定所有变量都存储在主内存中,每个线程还有自己的工作内存。(1) 线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的拷贝(从主内存中拷贝过来),线程对变量的所有操作都必须在工作内存中执行,而不能直接访问主内存中的变量。(2) 不同线程之间无法直接访问对方工作内存的变量,线程间变量值的传递都要通过主内存来完成。(3) 主内存主要对应Java堆中实例数据部分。工作内存对应于虚拟机栈中部分区域。

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4、Java线程之间的通信由内存模型JMM(Java Memory Model)控制。(1)JMM决定一个线程对变量的写入何时对另一个线程可见。(2)线程之间共享变量存储在主内存中 (3)每个线程有一个私有的本地内存,里面存储了读/写共享变量的副本。(4)JMM通过控制每个线程的本地内存之间的交互,来为程序员提供内存可见性保证。

5、可见性、有序性:(1)当一个共享变量在多个本地内存中有副本时,如果一个本地内存修改了该变量的副本,其他变量应该能够看到修改后的值,此为可见性。(2)保证线程的有序执行,这个为有序性。(保证线程安全)

6、内存间交互操作:(1)lock(锁定):作用于主内存的变量,把一个变量标识为一条线程独占状态。(2)unlock(解锁):作用于主内存的变量,把一个处于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量才可以被其他线程锁定。(3)read(读取):作用于主内存变量,把主内存的一个变量读取到工作内存中。(4)load(载入):作用于工作内存,把read操作读取到工作内存的变量载入到工作内存的变量副本中 (5)use(使用):作用于工作内存的变量,把工作内存中的变量值传递给一个执行引擎。(6)assign(赋值):作用于工作内存的变量。把执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量。(7)store(存储):把工作内存的变量的值传递给主内存 (8)write(写入):把store操作的值入到主内存的变量中

6.1、注意:(1)不允许read、load、store、write操作之一单独出现 (2)不允许一个线程丢弃assgin操作 (3)不允许一个线程不经过assgin操作,就把工作内存中的值同步到主内存中 (4)一个新的变量只能在主内存中生成 (5)一个变量同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作。但lock操作可以被同一条线程执行多次,只有执行相同次数的unlock操作,变量才会解锁 (6)如果对一个变量进行lock操作,将会清空工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这个变量前,需要重新执行load或者assgin操作初始化变量的值。(7)如果一个变量没有被锁定,不允许对其执行unlock操作,也不允许unlock一个被其他线程锁定的变量 (8)对一个变量执行unlock操作之前,需要将该变量同步回主内存中

堆的内存划分:

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Java堆的内存划分如图所示,分别为年轻代、Old Memory(老年代)、Perm(永久代)。其中在Jdk1.8中,永久代被移除,使用MetaSpace代替。

1、新生代:(1)使用复制清除算法(Copinng算法),原因是年轻代每次GC都要回收大部分对象。新生代里面分成一份较大的Eden空间和两份较小的Survivor空间。每次只使用Eden和其中一块Survivor空间,然后垃圾回收的时候,把存活对象放到未使用的Survivor(划分出from、to)空间中,清空Eden和刚才使用过的Survivor空间。(2)分为Eden、Survivor From、Survivor To,比例默认为8:1:1 (3)内存不足时发生Minor GC

2、老年代:(1)采用标记-整理算法(mark-compact),原因是老年代每次GC只会回收少部分对象。

3、Perm:用来存储类的元数据,也就是方法区。(1)Perm的废除:在jdk1.8中,Perm被替换成MetaSpace,MetaSpace存放  在本地内存中。原因是永久代进场内存不够用,或者发生内存泄漏。(2)MetaSpace(元空间):元空间的本质和永久代类似,都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于:元空间并不在虚拟机中,而是使用本地内存。

4、堆内存的划分在JVM里面的示意图:

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GC垃圾回收:

一、 判断对象是否要回收的方法:可达性分析法 、引用计数法(python使用)

1、 可达性分析法:通过一系列“GC Roots”对象作为起点进行搜索,如果在“GC Roots”和一个对象之间没有可达路径,则称该对象是不可达的。不可达对象不一定会成为可回收对象。进入DEAD状态的线程还可以恢复,GC不会回收它的内存。(把一些对象当做root对象,JVM认为root对象是不可回收的,并且root对象引用的对象也是不可回收的)

2、 以下对象会被认为是root对象:(1) 虚拟机栈(栈帧中本地变量表)中引用的对象 (2) 方法区中静态属性引用的对象 (3) 方法区中常量引用的对象 (4) 本地方法栈中Native方法引用的对象

3、 对象被判定可被回收,需要经历两个阶段:(1) 第一个阶段是可达性分析,分析该对象是否可达 (2) 第二个阶段是当对象没有重写finalize()方法或者finalize()方法已经被调用过,虚拟机认为该对象不可以被救活,因此回收该对象。(finalize()方法在垃圾回收中的作用是,给该对象一次救活的机会)

4、 方法区中的垃圾回收:(1) 常量池中一些常量、符号引用没有被引用,则会被清理出常量池 (2) 无用的类:被判定为无用的类,会被清理出方法区。判定方法如下:A、 该类的所有实例被回收 B、 加载该类的ClassLoader被回收 C、 该类的Class对象没有被引用

5、 finalize(): (1) GC垃圾回收要回收一个对象的时候,调用该对象的finalize()方法。然后在下一次垃圾回收的时候,才去回收这个对象的内存。(2) 可以在该方法里面,指定一些对象在释放前必须执行的操作。

二、 发现虚拟机频繁full GC时应该怎么办:(full GC指的是清理整个堆空间,包括年轻代和永久代) (1) 首先用命令查看触发GC的原因是什么 jstat –gccause 进程id (2) 如果是System.gc(),则看下代码哪里调用了这个方法 (3) 如果是heap inspection(内存检查),可能是哪里执行jmap –histo[:live]命令 (4) 如果是GC locker,可能是程序依赖的JNI库的原因

三、常见的垃圾回收算法:

1、Mark-Sweep(标记-清除算法):(1)思想:标记清除算法分为两个阶段,标记阶段和清除阶段。标记阶段任务是标记出所有需要回收的对象,清除阶段就是清除被标记对象的空间。(2)优缺点:实现简单,容易产生内存碎片

2、Copying(复制清除算法):(1)思想:将可用内存划分为大小相等的两块,每次只使用其中的一块。当进行垃圾回收的时候了,把其中存活对象全部复制到另外一块中,然后把已使用的内存空间一次清空掉。(2)优缺点:不容易产生内存碎片;可用内存空间少;存活对象多的话,效率低下。

3、Mark-Compact(标记-整理算法):(1)思想:先标记存活对象,然后把存活对象向一边移动,然后清理掉端边界以外的内存。(2)优缺点:不容易产生内存碎片;内存利用率高;存活对象多并且分散的时候,移动次数多,效率低下

4、分代收集算法:(目前大部分JVM的垃圾收集器所采用的算法):

思想:把堆分成新生代和老年代。(永久代指的是方法区)

(1) 因为新生代每次垃圾回收都要回收大部分对象,所以新生代采用Copying算法。新生代里面分成一份较大的Eden空间和两份较小的Survivor空间。每次只使用Eden和其中一块Survivor空间,然后垃圾回收的时候,把存活对象放到未使用的Survivor(划分出from、to)空间中,清空Eden和刚才使用过的Survivor空间。(2) 由于老年代每次只回收少量的对象,因此采用mark-compact算法。(3) 在堆区外有一个永久代。对永久代的回收主要是无效的类和常量 5、GC使用时对程序的影响?垃圾回收会影响程序的性能,Java虚拟机必须要追踪运行程序中的有用对象,然后释放没用对象,这个过程消耗处理器时间 6、几种不同的垃圾回收类型:(1)Minor GC:从年轻代(包括Eden、Survivor区)回收内存。

A、当JVM无法为一个新的对象分配内存的时候,越容易触发Minor GC。所以分配率越高,内存越来越少,越频繁执行Minor GC
B、执行Minor GC操作的时候,不会影响到永久代(Tenured)。从永久代到年轻代的引用,被当成GC Roots,从年轻代到老年代的引用在标记阶段直接被忽略掉。

(2)Major GC:清理整个老年代,当eden区内存不足时触发。(3)Full GC:清理整个堆空间,包括年轻代和老年代。当老年代内存不足时触发

 

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