JVM常见问题解析

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目录

1、JVM内存区域划分

2、JVM类加载

2.1、类加载流程

2.2、类加载情况

2.3、双亲委派模型

2.3.1、JVM默认提供了三个类加载器

2.3.2、类加载器工作过程

3、垃圾回收机制 GC

3.1、GC的优劣

3.2、GC工作过程

3.2.1、判定垃圾

3.2.2、清理垃圾

3.2.3、分带回收

JVM全称Java  Virtual Machine，意为Java虚拟机

虚拟机是指通过软件模拟的具有完整硬件功能的，运行在一个完全隔离的环境中的完整计算系统。

常见的虚拟机：JVM，VMwave，Virtual Box

JVM和其他两个虚拟机的区别：
<1>VMwave 和 Virtual Box 是通过软件模拟物理CPU的指令集，物理系统中会有很多的寄存器

<2>JVM则是通过软件模拟Java字节码的指令集，JVM中只是主要保留了PC寄存器，其他的寄存器都进行了裁剪

注：JVM是一台被制定过，但是现实中不存在的计算机

JVM也在不断发展演变，HotSpot VM 最主流使用的JVM （JVM在JDK里面包含着），也就是说JDK使用广泛的并且带有的这个JVM就是比较盛行的，Oracle官方JDK 和开源OpenJDK这两者占据里较大市场范围，所以HotSpot VM应用也就比较广泛

JVM此处设计到的常见问题分为以下三点：

<1>JVM内存区域划分

<2>JVM类加载机制

<3>JVM垃圾回收机制

1、JVM内存区域划分

JVM也就是启动的时候，会申请到一整个很大的内存区域（JVM是一个应用程序，要从操作系统这里申请内存），JVM就根据需要，把整个空间，分成几个部分，每个部分各自有不同的功能作用

区域划分有被分五个块

（1）Native Method 1Stacks（本地方法栈线程私有）

native 就表示是 JVM 内部的 C++ 代码 该区域就是给调用native方法（JVM内部方法）准备的栈空间

（2）Program Counter Register（程序计数器线程私有）

 记录当前程序执行到哪个指令（很小的一块内存一个地址）也是每个线程有一份的

（3）JVM Stacks（虚拟机栈线程私有）

给Java代码使用的栈 ，此处所谈到的栈，是JVM中的特定空间

<1>对于虚拟机栈，这里存储的是方法之间的调用关系

整个栈空间内部，可以认为是包含很多个元素（每个元素表示一个方法）把这里的每个元素，称为是一个“栈帧”，这一个栈帧里，会包含这个方法的入口地址，方法的参数，返回地址，局部变量等

注：栈上的内存空间是跟着方法走的，调用一个方法，就会创建栈帧，方法执行结束了，这个栈帧就销毁了 ，其中栈空间有上限，JVM启动的时候是可以设置参数，其中有一个参数就可以设置栈空间的大小

<2>对于本地方法栈，存储的是native方法之间的调用关系

注：此处栈和数据结构的哪个栈不是同一个，分开理解；数据结构的栈是一个通用的，更广泛的概念，JVM的栈特指一块内存空间

针对线程：

<1>创建一个线程，能做很多事情，在虚拟机栈，这里搞一份新的栈，是其中的一个工作，最核心的工作，是去系统内核里面，让内核给创建一个线程

<2>线程创建会占用栈空间（也就分配给他的空间），栈空间整体一般不会很大，但是每个栈帧其实占的尺寸也比较小，但不会轻易沾满，常见到能把栈空间占满的也就是见过无限递归，会遇到栈溢出的情况（也就是说正常创建线程占用栈空间一般都够用）

<3>栈同时也将线程隔离了起来，不会因为一个线程栈溢出而影响其他线程

（4）Heap（堆区线程共享）

堆：是整个JVM空间最大的区域，new出来的对象，都是在堆上的，类的成员变量，也是在堆上

堆区：是一个进程只有一份的

栈：每个线程有一份，一个进程有N个

每个JVM就是一个java进程（几个进程就是几个JVM）

这里说一个线程拥有自己的栈，也不完全说是私有的（一个线程栈上的内容，可以被另一个线程使用到，捕获变量就可以做到从main线程中捕获）

试问：多个Java进程为啥不共用一个JVM？？？

多个Java程序，也是需要关注隔离性的，不要相互影响，进程自身都把隔离性做好了，咱们直接用这个现成的就行，现成的咋来的？？

操作系统运行一个进程，会搞一个地址空间，会把进程依赖的动态库啥的都往这个空间里放一份（保证效率），每创建一个进程，系统都给这个进程搭了一堆台子，尽量保证进程之间是相互隔离的，不受影响；

JVM再实现一个JVM承载多个java进程还再实现一遍隔离性，前人已经实现了，现在就不需要了

C、C++、Go、Rust 都是把代码编译成native code 也就是cpu 能识别的机器指令，针对不同系统/cpu生成的机器指令是不一样的（编译出来的可以执行程序也是不一样的）Java，Python，PHP，为了跨平台，都是统一翻译成指定的字节码，，然后有对应的虚拟机转换成机器指令

(5)Metaspace（元数据区线程共享）

我们常听见的方法区也就是元数据区，原来叫做方法区，java 8开始后叫做元数据区

包含以下三个部分：

<1>klass（类元信息）：类对象

<2>常量池

<3>静态成员

元数据区的作用：用来存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据的

一个进程里，只有一块多个线程公用这一块

涉及问题：某个变量在哪个区域上？？？

<1>局部变量 在 栈

<2>普通成员变量 在 堆

<3>静态成员变量 在方法区 / 元数据区

基于JDK8元空间的变化：

<1>对于HotSpot来说，JDK8元空间的内存，这样元空间的大小就不在受JVM最大内存的参数影响了，而是与本地内存的大小有关

<2>JDK8 中将字符串常量池移动到了堆中

运行时常量池：

运行时常量池是方法区的一部分，存放字面量与符号引用

字面量：字符串（JDK8移动到堆中）、final常量、基本数据类型的值

符号引用：类和结构的完全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符（后面解释符号引用）

2、JVM类加载

类加载过程就是.class文件，从文件（硬盘）被加载到内存中（元数据区）这样的过程

大体过程是以上这样，下面咱开始细说

2.1、类加载流程

.class文件是.java文件通过javac编译来的

类加载过程分为这五部分：加载->验证->准备->解析->初始化 （这些步骤的根源来自JVM C++代码）整个过程也就是类的生命周期

 <1>加载：把.class文件找到，打开文件，读文件，把文件内容读到内存中，最终加载完成，是要得到类对象

<2>验证：检查下.class文件格式对不对，.class是一个二进制文件，这里的格式是有严格的说明的

在官方文档下可以看，.class文件的具体格式有个啥

验证选项：文件格式验证，字节码验证，符号引用验证等

 magic具体指的什么？

表示不同的后缀，.exe 就是其中一种（指的就是这样的文件分类）

<3>准备：给类对象分配内存空间（先在元数据区占个位置），也会使静态成员被设置成0值

<4>解析：初始化字符串常量，把符号引用转为直接引用

字符串常量，得有一块内存空间，存这个字符的实际内容,需要一个引用，来保存这个内存空间的起始地址

在类加载之前，字符串常量，此时是处在.class文件中的，此时这个“引用”记录的并非是字符串常量的真正的地址，而是它在文件中的“偏移量”这个东西（符号引用）

符号引用：类比一下，以排队为例，排队去看电影，作为是有编号的，但是你并不知道你坐在哪里，但是你能知道你左边和右边坐的是谁，此时像是一个虚拟地址，

类加载之后，才真正把这个字符串常量给放到内存中，此时才有“内存地址”，这个引用才能被真正赋值成指定内存地址（直接引用）

直接引用：到了电影院之后，让当家按顺序坐下，此时就有了对应的位置，也就真的内存地址

<5>初始化：调用构造方法，进行成员初始化，执行代码块，静态代码块，加载父类

2.2、类加载情况

不是java程序一运行，就把所有的类都加载了，而是真正用到才加载（懒汉模式）

<1>构造类的实例

<2>调用这个类的静态方法 / 使用静态属性

<3>加载子类 就会先加载其父类

用到了，才加载，一旦加载过之后，后续的话再使用就不必重复加载了

2.3、双亲委派模型

加载：把.class文件找到，读取文件内容

双亲委派模型，描述的是这个加载找.class文件基本过程

2.3.1、JVM默认提供了三个类加载器

<1>BootstrapClassLoader 负责加载标准库中的类

注：java规范，要求提供过那些类，无论是哪种JVM的实现，都会提供这些一样的类

<2>ExtensionClassLoader 负责加载JVM扩展库中的类

注：规范之外，由实现JVM的厂商/组织，提供的额外的功能

<3>ApplicationClassLoader 负责加载用户提供的第三方库/用户项目代码中的类

 他们之间存在的关系：

 上述三个类，存在“父子关系”，但是不是java中父类继承关系，而是相当于每个ClassLoader 有一个parent属性，指向了自己的父亲的类加载器

2.3.2、类加载器工作过程

加载一个类的时候，会先从ApplicationClassLoader开始，但是这里不会立即处理，而是会把加载任务委托给父亲，让自己的父亲去进行；

此时ExtensionClassLoader接收到加载任务，但是也不是真的加载，因为他也有一个父亲，就把该加载认为委托给自己的父亲；

BootstrapClassLoader接收到加载任务，他也想委托给自己的父亲，但是类似于parent属性为null，那就只能自己进行加载；

此时BootstrapClassLoader就会搜索自己负责的标准库目录的相关的类，如果找到，就加载；如果没有找到，那继续由子类进行加载进行加载

ExtensionClassLoader 开始正式搜索JVM扩展库相关的目录，如果找到就加载，如果没有找到，就由子类加载器进行加载

ApplicationClassLoader 开始正式搜索用户项目相关的目录，如果没有找加载，没找到，由子类加载器进行加载（但是当前下面已经没有子类了，说明完全找不到，只能抛出异常）

以上难免会有一个问题，那直接BootstrapClassLoader从这里开始加载不是更好嘛；

但是程序中凡事也要遵循一个章程，上述套用顺序其实是出自于JVM实现代码的逻辑

这段代码大概是类似于“递归”的方式写的，其实从最上面这里直接开始，就导致了从下到上，又从上到下的过程

这个顺序，主要目的就是为了保证BootstrapClassLoader能够先加载，Application能够后加载，，这就可以避免说因为用户创建了一些奇怪的类，引起不必要的bug（为啥这么说嘞）

再另一方面，类加载器，其实是可以用户自己定义的，上述三个类加载器是JVM自带的，用户自定义的类加载器，也可以加入到上述流程中，就可以和现有的加载配合使用

3、垃圾回收机制 GC

垃圾回收：什么是垃圾，才会被回收处理？？垃圾回收，就是把不用的内存帮我们自动释放了

内存泄漏是一个很严重的问题，空间疯狂占用，不被回收，空间被占用完结的时候，剩下要存入的数据也就会随之而丢失,因为后续的内存申请无法操作

看看不同语言的内存回收处理

C语言中有malloc、C++ 有new 这两者内存空间需要手动方式进行释放，malloc释放内存free，new内存释放delete

针对C\C++：如果不手动释放，这块内存的空间就会持续存在，一直存在到进程结束，（堆上的内存生命周期比较长，而栈的话空间会随着的方法执行结束，栈帧销毁而自动释放，堆则默认不能自动释放）

GC是其中最主流的一种方式，很多语言都采用了GC来解决内存回收问题，例如Java、Python、PHP、JS 等

3.1、GC的优劣

当然一个事务的创建都是有好有坏的

GC优势：非常方便，降低代码bug出现概率，内存泄漏在C/C++中也是很常见的问题

GC缺陷：需要消耗额外的系统资源，也有额外的性能开销（C/C++追求效率所以不用）

GC除以上缺陷还有一个比较关键的问题：STW问题(stop the world)

如果有时候，内存中的垃圾已经很多了，此时触发一次GC操作，开销可能非常大，大到可能就把系统资源吃了很多；其中会GC回收垃圾的时候可能会涉及到一些锁操作，导致业务代码无法正常运行，这样的卡顿，极端情况下，可能会出现几十毫秒甚至上百毫秒

GC优化将会带来更大益处，所以当前GC也在更新迭代，新版java（13）开始引入zgc垃圾回收器，设计更加精致，可以使STW能控制在1毫秒以下

前面提到了JVM的区域划分是大块，GC也只是在其中一个为区域其主要作用，就是堆区，刚刚说到C/C++的时候，就说了堆是不能自己释放的

GC是以“对象”为基本单位，进行回收的（而不是字节）

那来分一分情况：

3.2、GC工作过程

3.2.1、判定垃圾

这个步骤很重要，哪个对象是垃圾，哪个对象不是，判定为垃圾表示的该对象在当前程序中不会再使用了；就会用另一种情况，哪个对象可能后面还会使用；

关键问题：该对象还没有“引用”与他相关

针对 java中 ： 使用对象，只有这一条路，通过引用来使用；如果一个对象，有引用指向它，就可以能被使用到，如果一个对象，没有引用指向了，就不会再被使用了

针对“引用指向”判定有以下两种方法

（1）引用计数（不是java使用的，Python。PHP使用的）

每个对象被分配了一个计数器，每次创建一个引用指向该对象，计数器就会+1，每次引用被销毁了计数器-1  （拿代码来看一下）

 这个办法简单有效，但是java没有使用，因为里面也不足之处（下面解释）

<1>内存空间浪费的多（利用率低）

每个对象都要分配一个计数器，如果按4个字节算的话，代码中的对象非常少，无所谓，如果对象特别多了，占用额外空间就会很多，尤其是每个对象都比较小的情况

一个对象体积1k ，此时多4字节，没事，毕竟在一个对象中占不了多少

一个对象体积是4字节， 此时多几个自己，扩大了几倍

<2>循环引用的问题

看一下存在的循环问题：

Python 和 PHP能使用说明有别的机制来解决，来避免循环引用

 （2）可达性分析（针对java）

java中的对象，都是通过引用来指向并访问的，经常是一个引用指向一个对象，这个对象里的成员，又指向别的对象

整个java中所有的对象，通过这种链式/树形结构，整体给串起来

可达性分析，就是把所有这些对象被组织的结构视为可是树，就从树根节点出发，遍历树所能被访问到的对象，标记成“可达”（不能被遍历到的就为“不可达”）

 JVM自己捏着一个所有对象的名单，通过上述遍历，把可达的标记出来了，剩下的不可达的就不可以作为垃圾进行回收了，每次new的一个对象，JVM都会记录下来，JVM会自动一共有哪些对象，每个对象的地址

可达性分析需要进行类似于“树遍历”这个操作相比于引用计数来说肯定要更慢一些的，对于树的遍历本身就是慢，但是上述可达性分析遍历操作，并不需要一直进行，只需要一段时间分析一遍就可以了

那当前能不能解决刚刚的引用循环问题呢？？

答案：可以，给已经经过的对象标记成可达

 可达性分析遍历的起点，称为GCroots

3.2.2、清理垃圾

有三种基本做法：

（1）标记清除

 这里紫色的就算是被标记要删除的，但是删除之后会出现内存碎片化问题，被释放的空闲空间也是零散的，不连续的，申请内存要求的是连续的空间，总的空闲空间可能很大，但是每一个具体的空间都很小，可能导致申请大一点内存就失败了（展示例）

例如：你现在有5k空间 ，但是空间被分成1k空间共5个，此时如果申请2k内存，就会申请失败了，因为没有连续的空间了，每个分下来的空间都是有空隙的

（2）复制算法

解决内存碎片化问题

这个地方，直接把整个内存分为两半，用一半，丢一半（理解：一半用来存有用的，另一半用来垃圾回收）

 复制算法，就是把“不是垃圾”的对象复制到另一半，当前这一半就把整个空间删除掉

每次触发复制算法，都需要将另外一半内存中的数据拷贝过去，虽然解决了内存碎片化问题，但是仍然还有很大的缺陷

缺点：

<1>空间利用率低

<2>如果要是垃圾少，有效对象很多，复制成本较大（有效对象少，那就快）

（3）标记整理

解决复制算法的缺点

类似于顺序表删除中间的元素，会有元素搬运的操作（图解一下）

 <1>保证了空间利用率，同时也解决了内存碎片化问题

<2>但是看的出来其实该算法效率也不高，如果搬用的空间比较大，开销也不小

3.2.3、分带回收

这里单独拿出来是为了与清理垃圾作对比，这个算法很完美（复合了前面所提及策略）

垃圾回收也会适应不同场景，不同场景适应不同的算法

对于java的对象也存在一定的规律（规律也是有一系列实验和论证过程的）

Java的对象要么就是生命周期特别短的，要么就是特别长，根据生命周期的长短，分别使用不同的算法，给对象引入一个概念，年龄（单位不是年，而是熬过GC的轮次），年龄越大对象存在时间越长久（图片解析）

熬过怎么理解？？

经过一轮可达性分析的遍历，发现这个对象还不是垃圾，就算熬过一轮

<1>伊甸区 ：存放的是刚刚new对象，现在还没有经历可达性分析，属于新生代，新生代内存同时还划分了，不同空间，针对每次可达性分析进行淘汰，所以伊甸区，存放的还是没有经历一次可达性分析的对象

<2>幸存区：经过一轮的可达性分析遍历，还没有被回收的对象

从伊甸区  =》幸存区 （从伊甸区到幸存区）

能看到伊甸区设定的内存更大，相比之下幸存区内存空间很小（试问：幸存区这么小的空间够用吗？）

因为java声明周期大部分都是比较短，很多对象在第一次可达性分析的时候就已经被做为垃及回收了

两个幸存区和复制算法是一样的，但是幸存区的空间不大，也能接收浪费的这种情况，两个幸存区空间进行相互拷贝

<3>老年代：如果这个对象已经再两个幸存区中来回拷贝很多次，就算是经受起考核进入老年代

注：老年代都是年纪大的对象，生命周期普遍更长，针对老年代，也会进行周期GC扫描，但是频率更低了（减少了遍历的开销）