Java笔记：JVM

Java笔记：JVM

1. 运行时数据区

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所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，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

1.1 组成

线程私有：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈
线程共享：堆、方法区

1.2 定义

区域	定义	异常
程序计数器	可看作当前线程所执行的字节码的行号指示器	无
虚拟机栈	是方法执行的线程内存模型：每个方法执行时，JVM都会同步创建一个栈帧	StackOverflowError OutOfMemoryError
本地方法栈	基本同虚拟机栈，针对Native方法	StackOverflowError OutOfMemoryError
堆	存储对象实例	OutOfMemoryError
方法区	存储被JVM加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等	OutOfMemoryError

栈帧：存储局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息

• 局部变量表：存储编译期可知的各种JVM基本数据类型、对象引用、returnAddress类型。

  存储空间以局部变量槽Slot表示，其中64位长度的long和double类型占用2个Slot，其余占用1个Slot。局部变量表所需的内存空间在编译期完成分配

Java堆是垃圾收集器管理的内存区域。

• 从内存回收角度看，基于分代收集设计，将堆分为：新生代、老年代、永久代、Eden空间、From/To Survivor空间等
• 从分配内存角度看，线程共享的堆可划分出多个线程私有的分配缓冲区TLAB，以提升对象分配时的效率

1.3 方法区

关注的点：JDK 7和JDK 8的更新。

• 在JDK 8以前，HotSpot是主流虚拟机，称呼方法区为“永久代”，但对于其他虚拟机实现，是不存在方法区的概念
• 永久代设计的问题：容易遇到OOM
• JDK 7：把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出（存到堆）
• JDK 8：在本地内存实现的元空间取代了永久代，将JDK 7中永久代剩余的内容(主要是类型信息)全都移到了元空间中

1.4 运行时常量池

属于方法区的一部分（常量池表内容，类加载后进入方法区，存放到运行时常量池）。

• Class文件除了有类的版本、字符、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表。

• 常量池表：存放编译期生成的各种字面量和符号引用。此部分内容在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

• 运行时常量池还会存储：由直接引用翻译出来的直接引用

• 运行时进入方法区运行时常量池的常量：如String的intern()方法

• 异常：OOM异常

直接内存：非JVM内存区域

• JDK 1.4引入的NIO，引入了基于通道Channel和缓冲区Buffer的IO方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，并通过一个存储在堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作
• 效果：提升性能。避免堆和native堆中来回复制数据
• 异常：OOM

2. 类加载机制

2.1 类文件结构

跨平台

字节码（.class文件）和虚拟机。

Class文件组成

1. 魔数：[1,4]

2. Class文件版本号：[5,8]

   次版本号 + 主版本号

3. 常量池：[9,?]

   入口：u2类型，代表常量池容量计数值（从1开始）

   比如：.class的第9个字节为0x16，即十进制的22，表示常量池中有21项常量[1,21]，第0项常量空出来以做他用，具体参考“《深入理解Java虚拟机 第3版》6.3.2 常量池小节”
   

   存储常量类型：字面量、符号引用。

   字面量，比如文本字符串、final常量等
   符号引用：package、类和接口的全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符、方法句柄和方法类型、动态调用点和动态常量
   

   常量如何存储：每一项常量都是一个表。具体请参考其他资料。

   javap -verbose [class类名]：javap用于反解析当前类对应的code区（汇编指令）、本地变量表、异常表、代码行偏移量映射表、常量池等等信息。
   

4. 访问标志：2字节。具体值为下述标志组合的位或结果

   以下为部分访问标志，共16个标志位。

   标志名称	标志值	含义
   ACC_PUBLIC	0x0001	是否为public
   ACC_FINAL	0x0010	类是否被声明为final
   ACC_SUPER	0x0020
   ACC_INTERFACE	0x0200	接口
   ACC_ABSTRACT	0x0400	是否为abstract类型
   ACC_SYNTHETIC	0x1000	非用户代码产生
   ACC_ANNOTATION	0x2000	注解
   ACC_ENUM	0x4000	枚举
   ACC_MODULE	0x8000	标识这是一个模块

5. 类索引、父类索引、接口索引集合

   类和父类索引：u2类型的数据

   接口索引集合：一组u2类型的数据的集合（同常量池，有一个计数值）

6. 字段表集合

   字段修饰可选：访问修饰符、实例变量还是类变量、可变性final、并发可见性volatile、是否可被序列化transient、字段数据类型、字段名称。每个都对应一个值。

   字段表结构：

   类型	名称	数量
   u2	access_flags	1
   u2	name_index	1
   u2	descriptor_index	1
   u2	attributes_count	1
   attribute_info	attributes	attributes_count

   access_flags：“字段修饰可选”里面列举的值的位或。
   name_index：对常量池项的引用。表示字段的简单名称
   descriptor_index：字段或方法的描述符
   

   有如下类：
   	package com.hzk;
   	public class User {
           private String name;
           private int age;
   	}
   
   
   全限定名：com.hzk.User
   简单名称：name和age
   描述符：用于描述字段的数据类型、方法的参数列表和返回值。
   

7. 方法表集合：基本同字段表，方法表结构依次为访问标志、名称索引、描述符索引、属性表集合。

   方法表的属性集合，存储一个名称Code的属性，为Java程序方法体的代码经编译器处理之后变为字节码存储在Code属性内。

字节码指令

Java字节码的指令组成：操作码、操作数（零至多个参数）。由于Java虚拟机采用操作数栈，而非寄存器的架构，所以大多数指令都不包含操作数，只有一个操作码。

1. 加载和存储指令
2. 运算指令
3. 类型转换指令
4. 对象创建和访问指令
5. 操作数栈管理指令
6. 控制转移指令
7. 方法调用和返回指令
8. 异常处理指令
9. 同步指令：基于管程monitor。方法同步是方法表的acc_synchronized标志，语句块是Java语言的synchronized关键字的语义实现（monitorenter、monitorexit指令）。

2.2 类加载流程

定义：JVM把描述符的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，称为类加载机制。

说明：Class文件是一个二进制字节流，可能源自磁盘、网络或者内存等等。

生命周期

加载 -> 连接（验证 -> 准备 -> 解析） -> 初始化 -> 使用 -> 卸载。

上述七个阶段的顺序并不完全是顺序开始的，其中：“加载、验证和准备、初始化、卸载”这五个阶段的顺序是确定的。而“解析”既可以在“初始化”前（正常流程）、也可以在“初始化”后（运行时绑定，动态绑定，晚期绑定）发生。

何时发生加载，JVM并没有强制约束；但是何时发生初始化，《Java虚拟机规范》规定有且只有六种情况必须立即对类进行初始化（而加载、验证和准备则需要在初始化前发生）：

1. 遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic这四条指令，若类型没有进行过初始化，则需要进行初始化。场景：
   • new关键字实例化对象：T t = new T()；
   • 读写静态字段（final static修饰的字段，会在编译期把结果放入常量池，不会触发初始化）
   • 调用静态方法
2. 使用反射包java.lang.reflect进行反射调用
3. 初始化类时，其父类没有初始化，则先触发父类初始化
4. JVM启动，指定的主类（包含main方法的类）
5. JDK 7的动态语言支持（未了解）
6. 当接口定义default方法（Java 8特性），其实现类发生初始化，则先触发该接口

除了上述六种情况以外，其他任何方式都不会触发初始化，称为被动引用。如下：请注意被动三，常量会存到调用类的常量池中。

// 被动一：子类引用父类的静态字段，不会触发子类的初始化
// 被动二：数组类T[]，不会触发类T的初始化
// 被动三：常量在编译期会存入调用类的常量池中，不会触发定义常量的类的初始化

class Parent {
    public static int value = 123; 
    public static final int ID = 111111;
}
class Child extends Parent {}
// 场景1：子类引用父类static字段，字段不会被初始化
main: System.out.println(Child.value);
// 场景2：类数组定义，不会触发Parent初始化
main: Parent[] parents = new Parent[10];
// 场景3：引用Parent.ID常量，不会触发定义常量类Parent的初始化
class Cal {
    print: System.out.println(Parent.ID);
}

生命周期各阶段具体行为

1. 加载

1）通过类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
2）将二进制字节流的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
3）内存中生成Class对象，作为方法区该类的各种数据的访问入口

2. 验证

要求：Class文件的字节流，数据符合JVM规范

3. 准备

类静态变量分配内存并设置类变量初始值（类型零值）

说明：概念上看，类变量所属内存位于方法区。JDK 7方法区的实现为永久代，实现符合概念；JDK 8方法区，类变量则会随着Class对象存放到堆中。

4. 解析

将常量池内的符号引用，替换为直接引用的过程。
可能发生在类加载时，可能发生在被使用时（运行时）

5. 初始化

执行类构造器：（javac编译器的自动生成物）。主要是static（类变量、静态语句块）语句合并产生

说明：static语句按定义顺序逐条执行，静态语句块中只能访问定义在其之前的变量，定义在其之后变量，语句块可对其执行赋值操作，但不能访问。
说明2：
	父类的先于子类执行；
	接口实现类在初始化时不会执行接口的
	接口执行不需要先执行父接口的
总之，对于接口而言，只有当使用到其定义的类变量，才会对其进行初始化

2.3 类加载器

类加载器：实现“通过一个类的全限定名，获取该类的二进制字节流”动作的代码，为类加载器。其位于JVM之外实现。

三层类加载器 & 双亲委派模型

类加载器	加载信息	说明
启动类加载器	\lib目录； -Xbootclasspath参数指定的路径中存放且能够被JVM识别的类；
扩展类加载器	\lib\ext目录； java.ext.dirs系统变量指定路径中所有类库	Java 9后被模块化取代
应用程序/系统类加载器		程序中默认的类加载器

从JVM角度看，存在两种类加载器：启动类加载器（BootstrapClassLoader）、其他所有类加载器

BootstrapClassLoader，由C++实现，是虚拟机自身的一部分
其他类加载器，由Java实现，独立存在于虚拟机外部

双亲委派模型：除了顶层启动类加载器外，所有其他类加载器都有自己的父类加载器（组合而非继承）。

工作流程：如果一个类加载器收到了类加载的请求，首先将这个请求委托给父类加载器去完成。父类加载器无法完成时，子类加载器才会尝试去完成加载。

作用：保证任何一个类，由加载它的类加载器和类本身确立其唯一性

破坏双亲委派模型

双亲委派模型并非一个具有强制性约束的模型。在Java 9模块化出现为止，出现过三次较大规模被破坏的情况。

破坏原因：父类加载器需要委托子类加载器去加载class文件。比如Driver接口，定义在JDK中，由启动类加载器加载，而各个数据库服务商的驱动，由系统类加载器加载。

3. 字节码执行机制：略

4. 对象深入：创建、布局、访问

4.1 创建

1. Java语言层次的创建对象：new、复制、反序列化等
2. 检查上述指令参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用
3. 检查符号引用代表的类是否被加载、解析和初始化()：没有则进行类加载
4. 分配内存：1.指针碰撞；2.空闲列表
   • 是否规整，而堆规整与否取决于GC是否带有空间压缩整理能力）
   • 分配内存有两个操作，申请内存，赋给指针。存在线程安全问题，常见解决方式有1.CAS；2.本地线程分配缓冲区
5. 实例部分：初始化为零值
6. 对象头
7. 构造模块：方法

4.2 布局

• 对象头：两类信息
  1. 存储对象自身的运行时数据：哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程池有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。称为Mark Word
  2. 类型指针：指向它的类型元数据的指针
• 实例数据
• 对齐填充

4.3 访问

• 句柄访问：左图
• 直接指针：右图

5. 垃圾收集

5.1 垃圾对象标记

• 引用计数算法

• 可达性分析算法

  // GC Roots：虚拟机栈、本地方法栈、方法区（static、final）
  虚拟机栈引用的对象（方法参数、局部变量、临时变量）
  方法区中类静态属性引用的对象（static对象）
  方法区中常量引用的对象（final对象）
  本地方法栈引用的对象
  JVM内部的引用
  被同步锁（synchronized）持有的对象
  JMXBean、JVMTI中注册的回调等
  

算法	实现	优点	缺点
引用计数算法	对应中添加一个引用计数器	简单，效率搞	循环引用问题
可达性分析算法	GC Roots的根对象

引用：强引用、软引用、弱引用、虚引用

可达性分析算法的标记：两次标记

1. 没有与GC Roots相连的引用链，第一次标记，随后进行一次筛选（此对象是否有必要执行finalize()方法）

   • 没有必要执行，进入“即将回收的集合”

   • 有必要执行，对象被放到F-Queue的队列，稍后由Finalizer线程执行

     有必要执行的条件：重写finalize，且没有被执行过

2. 第二次标记：有必要执行的对象，在其finalize()方法中成功与GC Roots相连，就被移出“即将回收的集合”

方法区回收：不再使用的类、废弃常量

5.2 垃圾对象回收算法

垃圾收集算法	实现	场景	缺点
标记-清除	标记，清除		效率；内存碎片
标记-复制	标记，复制，清除	新生代	内存利用率
标记-整理	标记，移动，清除		stop the world

分配担保： 标记复制。Survivor空间 < Monir回收后的存活对象，依赖其他区域（一般是老年代）进行分配担保

做法：新生代划分为8：1：1的Eden和Survivor*2。

5.3 垃圾收集器：略

5.4 内存分配与回收策略

1. 对象优先在Eden空间
2. 大对象直接进老年代
3. 长期存活对象进老年代
4. 动态对象年龄判断
5. 空间分配担保

6. JDK工具

命令	关键字
jps	Java进程
jstat	虚拟机进程，类加载 内存 垃圾收集 即时编译
jinfo	虚拟机参数
jmap	堆，转储快照
jhat	堆转储快照，分析
jstack	栈

可视化工具：JConsole、JHSDB、VisualVM、JMS