关于你需要知道的JVM基础

Java对象的内存布局

• 对象头

  • class对象指针

  • markword（64个bit位）

    结构：

    • 哈希码：对象的哈希码，用于支持基于哈希的集合操作
    • GC分代年龄：对象的分代年龄，用于垃圾回收器的分代收集策略
    • 锁状态的标识：用于标识对象的锁状态，如未锁定、轻量级锁定、重量级锁定等。
    • 偏向线程ID（在偏向锁的状态下）：记录持有偏向锁的线程ID
    • 锁记录指针（在轻量级锁的状态下）：指向当前线程栈中Lock Recent的指针

    作用：

    • 帮助垃圾回收机制：通过存储对象的分代年龄等信息，协助JVM的垃圾回收机制（GC）进行对象的回收决策。
    • 支持线程同步：存储锁状态标志、线程持有锁、偏向线程等信息，支持JVM实现多种锁机制，如偏向锁、轻量级锁和重量级锁，以提高并发性能。

    锁机制

    • 无锁：通过原子操作来避免所得适用，如一个线程在执行
    • 偏向锁：针对大部分时间仅有一个线程访问同步代码块的情形设计，当某个线程首次取得锁的时候，MarkWord会被更新记录下该线程的ID，之后此线程再次请求相同锁的时候，会直接越过同步操作。
    • 自旋锁（轻量级锁）：在偏向锁不足以应对多线程竞争，但锁保持时间较短情况下的优化手段。轻量级锁通过自旋方式尝试获取锁，避免了线程阻塞和上下文切换的开销
    • 重量级锁：当轻量级锁的自选多次仍然无法获取锁时，锁会升级为重量级锁，此时线程会调用操作系统的互斥原语来阻塞线程，待锁释放后在唤醒相应等待的线程。

    前三种均在用户态，最后一个在内核态

• 实例数据

  对象的实际数据

• 对齐填充

JVM内存结构

线程私有

• 程序计数器：记录代码执行的位置
• Java虚拟机栈：每个线程都有自己的Java虚拟机栈，并且java开启线程都会开启一个虚拟机栈，默认大小为1M，加载的是==普通方法==
• 本地方法栈：每个线程都有自己的本地方法栈，和Java虚拟机类似，Java虚拟机栈加载的是普通方法，本地方法加载的==native修饰==的方法

线程共享

• 堆：无论是通过反射还是new出来的对象都放在堆中

• 元空间：常量池，跟类有关的均在元空间里面。

  （JDK1.8之前叫方法区）

  元数据存在本地内存中，所以元空间的内存上限取决于内存大小，但是元数据在虚拟机启动时会默认给个大小。

堆内存

堆内存结构

• Young年轻代（年轻代内存=S0内存大小+S1内存大小+Eden内存大小）

  • S0，S1
  • Eden

  注：新创建的对象都会存放在年轻代里面，其中S0和S1的大小一致

• Tenured老年代（一般空间比年轻代大）

  • 经过年轻代垃圾回收机制存活下来的对象存在老年代中。

GC垃圾回收

注：线程私有的不存在垃圾回收机制，而针对线程共享的只有堆需要垃圾回收机制，回收堆中的对象，防止堆内存溢出。

JVM的垃圾回收大致分两步走：

1. 如何发现垃圾
2. 如何回收垃圾

如何发现垃圾

常见的垃圾回收算法有两种：引用计数算法和根搜索算法

①引用计数算法

核心思想：堆中的对象每被引用一次，则计数器加1，每减少一个引用就减1，当对象的引用计数器为0时就可以被当做垃圾进行回收。

优点：比较快

缺点：无法检测出堆内对象之间的循环引用，它们引用计数器永远不可能为0

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②根搜索算法（根可达性分析）

核心思想：根搜索算法是把所有的引用关系看做一张图，从节点==GCROOT开始，寻找对应的引用节点==，根据找到的节点，再找到引用该节点的引用节点，当所有的引用节点寻找完毕，剩余的节点则被认为是没有被引用的节点，即可将其当成垃圾进行回收。

Java中可作为==GCROOT==的对象有：

• java虚拟机栈中的引用对象
• 本地方法栈引用的对象
• 元空间中静态属性引用的对象
• 元空间中常量引用的对象

如何回收垃圾

Java中用于常见的垃圾回收算法有4种：

①标记-清除算法（markandsweep）

该算法分为标记和清除两个阶段：

• 标记：首先需要标记所有要回收的对象。
• 清除：然后在标记完成后统一回收所有被标记的对象。

缺点：效率不高，而且在标记清除后会产生大量不连续的内存碎片。

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②标记-整理算法（Mark-Compact Algorithm）

该算法是在标记-清除算法的基础上做了改进，同样是两阶段：

• 标记：其标记阶段与标记-整理算法是相同的。

• 清理：在标记完成后并未对可回收的对象进行清理，而是让存活的对象向一边移动，在移动的过程中清理掉可回收的对象，这个过程叫做整理。

  优点：内存被整理后不会产生大量的不连续内存碎片

  缺点：耗时耗力

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③复制算法（copying）

该算法是将可用的内存按容量分成大小相等的两块，每次只使用其中一块，当这块内存用完了，将还存活的对象复制到另一块内存上，然后将使用过的内存空间一次清理掉。

缺点：可使用的内存只有原来的一半。在某一时刻点，总有一个S 的内存空间是空的，可能是S0，也可能是S1。

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④分代收集算法（generation）

分代收集算法是当前主流的JVM都采用的算法，这种算法会根据对象存活周期的不同将内存划分为年轻代、年老代，不同生命周期的对象可以采用不同的回收算法，以便提高回收效率。

1. 年轻代（YoungGeneration）
   • 所有新生成的对象都放在新生代的。
   • 新生代内存按照8:1:1的比例分为eden区和两个Survivor(S0，S1)区，大部分对象在Eden区中生成。回收时先将Eden区中存活的对象复制到一个Survivor0区，然后清空Eden区，当这个Survivor0区，也存放满时，则将Eden区和Survivor0区存活对象复制到另一个Survivor1区，然后清空Eden和这个Survivor0。此时的Survivor0区是空的，然后将Survivor0区和Survivor1区交换，即保持Survivor1区为空。如此往复。
   • 特殊情况：当一个大对象不足于存放到Eden区时，就将存活对象直接存放到年老代中。若是年老代也满了就触发一次FullGC，也就是新生代和年老代都进行回收。
   • 新生代发生的GC也叫做MinorGC，MinorGC发生的频率比较高。
2. 年老代（OldGeneration）
   • 在年轻代经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到年老代中。因此，可以认为年老代存放的都是一些生命周期比较长的对象。默认是15次
   • 内存新生代也很多，一般是新生代的2倍，当老年代内存存满时触发MojorGC，即FullGC，但是FullGC发生频率比较低，老年代对象存活时间比较长，存活率比较高。
3. 云空间-持久代（PermanentGeneration）
   • 用于存放静态文件，如Java类、方法等。持久代对垃圾回收没有显著影响，从JDK8以后已经废弃，将存放静态文件，如Java类、方法等这些存储到了元数据区。

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JVM调优参数

-Xms8g: 设置JVM中堆初始堆大小为8g。此值可以设置与-Xmx相同，当内存打满的时候，会先触发FullGC再申请内存。并且以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。

-Xmx8g: 设置JVM中堆最大可用内存为8g。

-Xmn4g: 设置年轻代大小为4G。

-XX:MaxMetaspaceSize=128m: 设置元空间最大为为128m

-XX:MetaspaceSize=128m 用于设置元空间的初始大小，默认值约21

注：

-X：标准选项

-XX：非标准选项

m：memory

s：size

x：max

n：new