JVM笔记

一、内存结构

1.程序计数器

• 概念：
  记住下一条jvm指令的执行地址(通过寄存器实现)。
  JAVA的执行流程是这样的：JAVA语言首先被编译为字节码（.class）语言，字节码不能被计算机识别，所以还会由JVM中的解释器解释为机器码语言，最后交给计算机。
  程序计数器在这个过程中，起到了“计数”的功能。解释器解释了第一行之后，会找计数器确认，下一个解释的是第二行还是第三行。

• 特点：
  a.因为负责执行的执行顺序，所以程序计数器是线程私有的，这一点很好理解，因为线程是异步的，如果程序计数器不是私有的，那也不可能异步吧。
  b.不存在内存溢出。

2.虚拟机栈

• 什么是栈？
  栈是一种数据结构，好比手枪弹夹，子弹被一颗颗压入，开枪时最先射出的是最后压入的子弹，这就是栈的特性：先进后出。
  在JVM中，虚拟机栈是线程运行需要的内存空间，与程序计数器相同，虚拟机栈也是线程私有的个人空间。
• 栈帧：每个方法运行时需要的内存。
  一个方法独占一个栈帧，一个栈由多个栈帧组成，当然栈帧不是栈，只是栈内的元素。
• 活动栈帧
  每个线程只能有一个活动栈帧，对应着正在执行的那个方法，也就是最顶部的栈帧（方法）。
• 问题
  1.垃圾回收会不会回收栈内存？答案是否定的，因为出栈时会自动释放。
  2.如何指定栈内存？使用Xss来指定，例如Xss1024kb。
  3.方法内的局部变量是否是线程安全的？当然是，因为就算其他线程调用这个方法，也会在自己的栈里生成，而不是操作这个栈（当然前提是变量没有return出去）。
• 栈内存溢出（StackOverflowError）
  情况一：栈帧过多（例如一直递归）
  情况二：栈帧过大（操作的数据太多太大）
• 线程运行诊断
  可以使用top判断哪个进程占用资源过多，然后再用ps命令定位进程中的哪个线程出了问题（ps H -eo pid,tid,%cpu | grep 进程id）。
  如果想要定位到具体哪一个类哪一行代码，可以使用jstack 进程id命令（不过这个命令显示的线程id是16进制的，需要换算一下）。

3.本地方法栈

在JAVA中一些方法是用了c/c++编写的底层函数或接口，分配给这些方法的虚拟机栈就叫做本地方法栈。

4.堆

• 什么是堆？

  堆存放的是对象，通过new关键字创建的对象都存放在堆中。

• 特点：1.线程共享，2.有垃圾回收机制（虽然有GC，不过如果一个对象一直在使用，但是又不断膨胀直至超过堆内存限制的话，还是会内存溢出OutOfMememoryError的，可以使用Xmx指定大小）。

5.方法区

• 什么是方法区：

  所有线程共享，存放跟类相关的数据，比如构造器、成员方法、成员变量等。1.6占用堆的空间（永久代），1.8后直接占用操作系统的内存（元空间）。

• 特点：1.因为1.8以后直接使用了操作系统的内存，所以很难看到方法区内存溢出（可以指定元空间大小XX:MaxMetaSpaceSize=8m）。

• 常量池

  常量池就是一张表（HashTable），虚拟机指令根据这张表找到要执行的类名/方法名/参数类型/字面量等信息。

• 运行时常量池

  class包含了类基本信息、常量池、类方法定义。当类被加载时，它的常量池信息就会被放入运行时常量池，并将里面的符号地址变为真正的内存地址。

• StringTable（字符串常量池）

  特性：1.常量池中的字符串仅是符号，第一次用到时才变为对象；2.利用串池的机制，来避免重复创建字符串对象；3.字符串变量拼接的原理是StringBuild（1.8）；4.字符串常量拼接的原理是编译器优化；5.可以使用intern方法，主动将串池中还没有的字符串对象放入串池。

  StringTable1.6是在永久代中，1.7、1.8在堆中。

  调优：如果系统中字符串常量很多，可以调整-XX:StringTableSize（捅个数）的大小，理论上大一些的话效率会高一点。

• 直接内存

  概念：操作系统使用的内存。

  特性：常见于NIO操作时用于数据缓冲区；分配回收成本较高，但读写性能高；不受JVM内存回收管理。

  分配和回收原理：直接内存使用unsafe对象完成分配与回收，并且回收需要调用freeMemory方法；ByteBuffer的底层使用了Cleaner（虚引用）来监测ByteBuffer对象，一旦对象被垃圾回收，那么就会通过Cleaner的clear方法调用freeMemory来释放内存。

二、垃圾回收

1.如何判断对象可以回收

• （1）引用计数法（Python）：如果有引用指向A对象，那么A对象就不会被垃圾回收，但是如果A引用指向B，B引用指向A呢（循环引用）？这不就产生垃圾了。

• （2）可达性分析算法（JAVA）：GC在垃圾回收时，扫描堆中的类，将绝对不可能当成垃圾回收的对象定义为根对象，如果有对象被根对象引用，那这个对象就不被回收，反之就可以回收。

• （3）四种引用

  • 1.强引用：对象和引用有直接的关系就属于强引用，有强引用基本不会被垃圾回收。

  • 2.软引用：使用SoftReference作为引用就是软引用，在内存不足时软引用对象会被回收。

  • 3.弱引用：使用WeakReference作为引用就是弱引用，垃圾回收时通常会把弱引用回收掉。

  • 4.虚引用：任何时候都有可能被回收。

  • 5.终结器引用。

    注：使用方法，可以继承WekReference，或者直接new WekReference(对象)，通过get方法获取。

2.垃圾回收算法

• 1.标记清除：先标记再清除，但是清除并不会在内存中删除对象，只是将地址记录下来进行再分配，所以会使内存不连续，造成内存碎片化。
• 2.标记整理：标记后会进行整理，避免了内存碎片，但是效率相对较低。
• 3.复制：划分两块区域，From和To，把From中未被标记的对象复制到To中，再交换From和To。也不会产生碎片，但是会占用双倍空间。

3.分代垃圾回收

• 1.新生代：存放生存时间较短的对象

  新生代又划分为伊甸园、幸存区From、幸存区To三块。对象一般诞生在伊甸园，当伊甸园满了以后，会触发第一次新生代垃圾回收（MinorGC）：GC通过可达性分析算法在伊甸园中标记非垃圾的对象，标记后使用复制算法，将对象复制到幸存区To中（寿命+1），幸存区To再和幸存存From交换位置（此时伊甸园中的对象被回收掉）。

  如果伊甸园中再次满仓，会触发第二次新生代垃圾回收，同样进行标记，不被回收的放入To中，然后再交换To和From。

  如果多次新生代垃圾回收后，某个对象都没有被回收掉，那它就会晋升到老年代。如果出现老年代也满仓的情况，并且MinorGC无法清理出可以用的内存，就会触发FullGC，清理新生代和老年代的对象。

  *GC会触发stop the world，暂停其他用户线程，垃圾回收后再恢复。这是为了避免内存地址的改变造成线程混乱。

  *如果有大对象已经超出了新生代的容纳极限，那就会直接放入老年代，如果老年代也放不下呢？那就会OOM。

• 2.老年代：存放长时间存活的对象

• 3.相关VM参数

  1.堆初始大小：-Xms

  2.堆最大大小：-Xmx或XX:MaxHeapSize=size

  3.新生代大小：-Xmn或XX:NewSize=size + XX:MaxNewSize=size

  4.幸存区比例（动态）：-XX:InitialSurvivorRatio=ratio和-XX:+UseAdaptiveSizePolicy

  5.幸存区比例：-XX:SurvivorRatio=ratio

  6.晋升阈值：-XX:MaxTenuringThreshold=threshold

  7.晋升详情：-XX:+PrintTenuringDistribution

  8.GC详情：-XX:+PrintGCDetails -verbose:gc

  9.FullGC前MionrGC：-XX:+ScavengeBeforeFullGC

4.垃圾回收器

• 1.Serial(串行)：单线程，新生代采用标记复制，老年代采用标记整理，有长时间的STW，适合堆内存较小、个人电脑。

• 2.ParNew：Serial的多线程版本。

• 3.Parallel(1.8默认)：多线程，着重关注CPU吞吐量，尽可能保证单位时间总STW时间最短。

• 3.CMS（ConcurrentMarkSweep）：响应时间优先，多线程，使用标记清除算法，尽可能保证单词STW最短，第一次实现了垃圾回收线程和用户线程基本上同时工作。

  运行过程：

  a.初始标记：暂停其他线程，并记录直接与根对象相连的对象，速度很快。

  b.并发标记：同时开启GC和用户线程，记录各种与根对象有关的对象，但是由于用户线程有可能改变引用，所以并不完全。

  c.重新标记：暂停其他线程，查缺补漏。

  d.并发清除：开启用户线程，同时GC开始回收垃圾。

• 4.Garbage first：JDK7官方支持，JDK9默认，面向服务器，同时注重吞吐量、低延迟，整体是标记整理算法，两个区域之间是复制算法。

  G1垃圾回收阶段：YoungCollection，新生代回收→YoungCollection+ConcurrentMark，新生代回收+并发标记→MixedCollection，新生代+老年代回收。

  因为切分区域的原因，从整体上看，G1用的是标记整理，从局部来看，用的是标记复制。

  • 1.remark：G1将对象分为黑白灰三种，黑色是有引用，灰色是正在处理中（最终可能变成黑色、白色），白色是没有引用，最后会被回收。为了防止最后有改变，G1会将白色对象放入一个队列中，最后进行一次判断后再进行垃圾回收，这就是remark。

5.垃圾回收调优

• 1.最好的GC是不GC

  如果数据量太大，考虑使用软引用、弱引用、分批次处理，甚至使用第三方中间件来实现。避免GC甚至是OOM。

三.类加载机制

• 1.类文件结构
• 2.字节码指令
• 3.编译期处理
• 4.类加载机制
• 5.类加载器
• 6.运行期优化