JVM知识点（一）

1、JVM基础概念

（1）JVM、JRE、JDK

• JRE：JVM+基本类库组成的运行环境就是JRE。JVM自己是无法完成一次编译，处处运行的，需要有一个基本类库告诉JVM如何操作运行，如如何操作文件，连接网络等，JVM运行时，会一次性加载基本类库；
• JDK：JDK中除了包含JRE，同时还包含一些小工具，如javac，jar等；如果只要运行java程序，只需JRE即可
• 三者之间关系：JDK>JRE>JVM

（2）java程序运行

• 编写好一个java程序后，使用javac进行编译后，会生成字节码文件（java程序中，使用的输出等模块是JRE里提供的基本类）；
• JVM采用栈架构，其指令由操作码（opcode）+操作数组成，操作码只有1个字节长度（0-255），指令数不能超过256条
• 我们运行.class文件时，会启动一个JVM进程，JVM通过opcode+操作数来执行程序；
• 执行方式有：解释执行：将opcode+操作数翻译为机器码文件；JIT：及时编译，在特定条件下，会将字节码编译为机器码文件之后才执行；

2、JVM内存管理

（1）JVM内存布局

• 堆中的数据是共享的，占用内存最大；
• 执行字节码文件的模块为执行引擎，线程切换通过程序计数器进行；

（2）虚拟机栈

• 虚拟机栈是基于线程的，main方法启动后，以线程方式运行；
• 线程的生命周期和栈的生命周期一样，栈中每一条数据都是栈帧；
• 每调用一个java方法，就会创建一个栈帧并入栈，执行完改该方法后，便会出栈；
• 所有栈帧出栈后，线程就会结束；

（3）程序计数器

• 程序计数器可以看作当前线程执行字节码的行号指示器，存储的是当前线程的进度；
• 程序计数器有线程创建时产生，配合虚拟机站完成计算操作；

（4）堆

• 申请的对象都是存储在堆中，垃圾回收的对象是堆；
• 堆在程序启动时创建，随着对象不断创建，堆空间会越来越小，就需要对堆内不常用的对象进行回收，即GC；
• java对象分为基本数据类型和普通对象，基本数据类型存储在栈中；对于普通对象，JVM会在堆中创建对象，其他地方使用该应用；
• 堆中的数据是线程共享的，栈中的数据是线程私有的；

（5）元空间

• Java8之前，类（创建对象的模板）都是存储在永久代中，且不会被JVM回收，随着类的增多，会造成JVM内存溢出；
• java8中，元空间替代了永久代，在非堆上存储，JVM不会再出现方法区的内存溢出，但无限使用元空间会造成操作系统挂掉，可以通过-XX:MaxMetaspaceSize控制元空间大小；

3、类加载

（1）类加载过程

1. 加载：将.class文件加载到JVM的方法区中；
2. 验证：判断.class是否可以加载进入JVM中，不合法的直接抛出异常；低版本的JVM无法加载高版本类库；
3. 准备：为类变量分配内存，并初始化值；此时实例对象还未分配内存，所以此时是在方法区中进行的；如下图，类变量有两次赋值，一次在准备阶段（赋予默认值），一次在初始化阶段（赋予程序员指定的值），而局部变量不会初始化赋值，没有默认值，不指定会报错；

1. 解析：将符号应用替换为直接应用。符号应用就是我们定义的字面量，如int a=1；a就是符号应用；直接应用是直接执行目标对象的指针或偏移量；
2. 初始化：初始化成员变量；类信息只会存储一份到方法区中，类加载只会加载一次，所以static变量和staic代码块只会加载一次；JVM保证子类初始化之前，父类已经初始化；

如下代码，第一次new时执行顺序 ：父类A的静态方法块---子类B的静态方法块--父类A的构造方法--子类B的构造方法；第二new时执行顺序 ：父类A的构造方法--子类B的构造方法

public class A {
    static {
        System.out.println("A static 代码块");//只会执行一次
    }
    public A(){
        System.out.println("A 构造方法");
    }
}

class B extends A{
    static {
        System.out.println("B static 代码块");//只会执行一次
    }
    public B(){
        System.out.println("B 构造方法");
    }

    public static void main(String[] args) {
        A a = new B();//第一次会调用静态代码块
        B b = new B();//不会调用静态代码块
    }
}

（2）类加载器

• 双亲委派机制：除了顶层的启动类加载器外，其余加载器都会在加载类时，先委托给父类加载，父类无法加载，才会交给子类去加载；
• 双亲委派机制可以避免，我们自定义的类去覆盖java类库，保证java程序的安全；如下，我们使用写一个java.lang.String，运行main方法时，会报错，因为加载String类时是由父类加载器加载，加载的是java类库中的String，而java类库中的String类没有main方法，所以会报错；

• Tomcat中会破坏双亲委派机制，每一个web应用都有一个WebappClassLoader加载器，会加载应用程序类，只有当自己加载不到，才会委托给父类；使用该类加载器，JVM中出现同一个第三方库不同版本，应用程序去使用他不会发生冲突，他们由各自的类加载器加载，相互隔离（类对象是否相同由类加载器的命名空间和类对象本身决定，不同类加载器，命名空间不同）；

4、JVM异常处理

（1）异常表

• 每一个方法都会携带一个异常表，表中每一行代表一个异常处理器，并且由from指针、to指针、target指针和异常处理类型组成；这些指针指向的是字节码的索引
• from指针到to指针表示异常监控的范围（try中代码），target指针表示异常起始处理器的开始位置，即catch代码，如下图：异常监控范围为0-7（不包括7），异常处理器开始范围为10；

（2）异常处理

• 程序出现异常时，JVM会开始从上到下遍历异常表中每一行，当出现异常的字节码索引在异常表中的某一行的监控范围内，则会判断监控表的异常类型是否和当前程序抛出的异常类型一致，如果一致，会将字节码索引转到target指针；
• 如果遍历完异常表的每一行，还是没有找到可以处理异常的异常处理器，则会将该方法的栈帧出栈，继续遍历调用该方法的调用者的异常表，重复异常表查找操作，最坏会遍历当前栈上所有方法的异常表；

（3）finally块

• finally代码块的内容会赋值到try和catch块中；
• 异常表中会生成一行异常处理条目，监控整个try-catch，并且捕获异常；
• 在执行完finally块后，若有捕获异常则会抛出异常；

5、OOM

（1）GC Root

• 发生GC回收时，对于每一个对象，JVM总是回去寻找引用他的祖先，如果这个引用祖先已经挂了，就会将该对象回收，能够躲避垃圾回收的祖先，就是GC root；
• 从GC root向下搜索，会产生一条Refrence Chain链，当任何一个对象不能和任何一个GC root产生关系时，就会被回收；
• GC过程是找出活的对象，并认定其他对象为”无用”；

GC Root有：

• java线程中，当前正在被调用的方法的引用类型参数、局部变量、临时值等，即和栈帧相关的各种引用；
• 所有被加载的java类；
• java类的引用类型的静态变量；
• 运行时常量池里的引用类型；（String或Class类型）
• 用于同步的监控对象，如调用了对象的wait（）方法；

大致分为三类：

• 线程中的相关引用；
• 类静态变量的引用；
• JNI引用；

（2）引用类型

• 强引用：当内存不足的时候，JVM会抛出OutOfMemoryError错误，即使程序终止，该对象也不会被回收；只有将GC Root与其断开，该对象才会被回收；如：我们平常new一个对象即为一个强引用，大量对象被创建且不能被回收时，会造成内存泄漏；
• 软引用：维护一些可有可无的对象，只有当堆内存空间不够时，才会回收该对象，如果回收了软引用后，JVM内存空间任然不足，则会抛出OutOfMemoryError；软引用可以和引用队列（ReferenceQueue）联合使用，当软引用所引用的对象被回收后，就会加入到该队列中；
• 弱引用：GC回收时，不管空间是否足够，都会回收弱引用所指向的对象；与WeakRefenece联合使用；
• 虚引用：采用该引用的对象，在GC回收时，都会被回收；虚引用必须和引用队列联合使用。当GC回收对象时，若该对象有虚引用，则会将虚引用加入到引用队列中，在对象被回收之前，会执行一些逻辑；

（3）OOM原因

• OOM可能发生的区域有堆、本地方法栈、虚拟机栈、元空间；
• 内存容量过小，需要调整堆大小；
• 错误的引用方式，发生内存泄漏。没有及时清理与GC Root相关联系，如线程池中的线程，复用时没有清理ThreadLocal，会造成内存泄漏；
• 堆接口参数没有校验，传入参数超出范围；
• 堆外内存无限制使用，会导致操作系统资源耗尽；

6、垃圾回收

（1）垃圾回收算法

• 标记清除算法：根据GC Root遍历所有可达对象，进行标记，清除掉未标记的对象，该算法会造成内存碎片，如下，当GC回收后，剩余总空间还有7K，分配一个6K空间，无法分配成功

• 标记复制算法：会预留一半的空间，每次GC回收时，会将活对象复制到空闲的空间中去，所有算法中效率最高，但会造成空间浪费

标记整理：GC回收时，会将存活对象整理到一起，不会造成空间浪费，同时也不会出现内存碎片，但效率最低；

（2）年轻代

• 存活时间比较短的对象都存储在年轻代中；
• 使用的清除算法是标记复制算法，因为年轻代中存活的对象比较少，使用标记复制算法可以大大提高效率；
• 年轻代分为伊甸园去（Eden）和两个幸存区（Survivor），对象会先分配到伊甸园区；
• 当Eden区分配满时，会触发年轻代GC（Minor GC），过程如下：

• • Eden第一次GC，先将Eden区存活的对象移动到一个幸存区；
  • Eden再次GC，会采用标记复制算法，会将清理from区和Eden区，存活的对象被移动到To区，最后将From区清空即可；

• Eden：From：To=8：1：1，会浪费10%的空间；-XX：SurvivorRatio可以设置（默认为8）；
• JVM会为每一个线程分配一个缓冲区（TLAB），TLAB在Eden区中，每个线程可以在TLAB上分配对象，避免锁竞争，但如果分配对象大小超过TLAB大小，则会在Eden区的公共区域分配；

（3）老年代

• 老年代一般采用标记清除、标记整理算法（Major GC），因为对象存活比较久，空间占用率比较大，拷贝不划算；
• 对象进入老年代途径：

• • 提升：根据对象的年龄判断是否需要进入老年代，每发生一次Minor GC，存活下来的对象年龄会加1，直到年龄超过阈值，对象就会进入老年代；若对象不可达，会等到老年代发生GC时，才会被回收；阈值，可以通过参数 ‐XX:+MaxTenuringThreshold 进行配置，最大值是 15
  • 分配担保：年轻代中每次存活的对象都会进入Survivor区中，这个区域只有10%的大小，但我们无法保证每次存活对象的大小不超过10%，当Survivor空间不够时，就需要依赖老年代进行担保，直接在老年代中分配对象；
  • 大对象直接分配到老年代：当对象大小超过指定大小，会直接在老年代中分配对象；通过设置该参数 -XX:PretenureSizeThreshold，默认为0（即对象都在年轻代分配）；
  • 动态对象年龄判断：当幸存区中相同年龄对象的大小的和超过幸存区的一半，幸存区中大于等于这个年龄的对象都会进入老年代；

（4）年轻代垃圾回收器

• Serial 垃圾收集器：处理GC只有一个线程，GC时会停止一切用户进程，通常用于客户端应用，因为客户端应用通常不会建立过多对象；
• ParNew垃圾收集器：处理GC时有多个线程，GC时同样会停止用户线程，存在线程切换开销，在单CPU下，性能比Serial差；追求降低用户停顿时间；
• Paraller Scavenge垃圾收集器：也是多线程处理，追求CPU高吞吐量，能够在较短时间内完成指定任务；

（5）老年代垃圾收集器

• Serial Old垃圾回收器：同样为单线程版本，采用标记整理算法，而年轻代中采用标记复制算法；
• Parallel Old垃圾回收器：多线程处理，追求CPU高吞吐；
• CMS垃圾回收器：以获取最短用户停顿时间为目标的垃圾收集器，采用用户线程和回收线程并发执行，用户不会感觉到明显的停顿；

7、CMS垃圾收集器

• CMS全称并发标记清除垃圾回收器，在年轻代使用标记复制算法，在老年代使用标记清除算法，会造成内存碎片，只有通过full GC时，进行整理；
• 主要是为了降低清除老年代时，避免长时停顿；
• UseCMSCompactAtFullCollection：默认开启，表示Full GC时，需要整理内存，不能和用户进程并发，会造成停顿；

回收过程如下：

1. 初始标记：只标记和GC Root直接相连的对象，因为GC Root在追踪活对象时最为耗时，同时还要标记与年轻代相关的对象；会发生STW；
2. 并发标记：在初始标记阶段，进行并发标记（标记所有可达对象）。该阶段最为耗时，但可以和用户进程并行。在该阶段，可能会有对象引用发生变化，引用发生变化的对象会被标记为dirty，用于后续重新扫描；
3. 并发预清理：并发预清理被标记为dirty状态的对象，将dirty状态对象重新标记，清除dirty状态，该阶段和用户进程并发，因此可能还会出现dirty状态；
4. 并发可取消的预清理：重新标记阶段是需要STW（停止用户线程），因此在满足某些条件时，可以终止标记，避免会扫年轻代大量对象；
5. 最终标记：第二次STW，标记所有存活对象。之前的并发预清理阶段可能发生多次，可能赶不上应用变化清况，所以最终标记会STW，停止应用进程，最终标记所有存活对象；
6. 并发清除：与用户进程并发进行，清除所有不可达对象，可能会产生新的垃圾（浮动垃圾），该部分垃圾只能等到下一次GC时才能被回收；
7. 并发重置：重置与CMS相关的内部结构，为下一次GC做准备；