深入理解Java虚拟机_JVM高级特性与最佳实践（第3版）学习笔记

Java内存区域

运行时数据区

程序计数器

虚拟机栈

Java虚拟机栈是线程私有的，它的生命周期与线程相同

虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型

局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配

在虚拟机栈区规定了两类异常：

• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常
• 如果无请到足够的内存，将抛出OutOfMemoryError异常

本地方法栈

作用与虚拟机栈非常相似，区别只是本地方法栈为本地方法服务，同样规定了StackOverflowError、OutOfMemoryError两类异常

堆

Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建

堆的唯一目的就是存放对象实例

通过参数-Xmx和-Xms设定堆的大小。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常

方法区

Java方法区是被所有线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据

方法区的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载

根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError异常

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分

常量池表用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，在类加载后存放到方法区的运行时常量池中

运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常

直接内存

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域

在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的 DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了 在Java堆和Native堆中来回复制数据

本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会受到本机总内存（包括物理内存、SWAP分区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制，抛出OutOfMemoryError异常

HotSpot虚拟机对象探秘

对象的内存布局

• 对象头：对象自身的运行时数据（Mark Word）、类型指针（确定该对象是哪个类的实例）
• 实例数据
• 对齐填充

对象的访问定位

• 句柄：reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference本身不需要被修改
• 直接指针：速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销

垃圾收集器与内存分配策略

对象存活算法

• 引用计数法

在对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加一；当引用失效时，计数器值就减一；任何时刻计数器为零的对象就是不可能再被使用的

很难解决对象之间的相互循环引用

• 可达性分析算法

通过一系列称为“GC Roots”的根对象作为起始节点集，从这些节点开始，根据引用关系向下搜索，搜索过程所走过的路径称为“引用链”（Reference Chain），如果某个对象到GC Roots间没有任何引用链相连， 或者用图论的话来说就是从GC Roots到这个对象不可达时，则证明此对象是不可能再被使用的

引用

JDK1.2版本后对引用的概念进行了扩充，强度由强到弱依次为

• 强引用：程序代码中普遍存在的引用赋值
• 软引用：发生oom前，回收掉只被软引用关联的对象
• 弱引用：下一次垃圾收集发生时，回收掉只被弱引用关联的对象
• 虚引用：为一个对象设置虚引用关联的唯一目的，只是为了能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知

两次标记

• 第一次标记：对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链，那它将会被第一次标记，随后进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法
• 第二次标记：对F-Queue中的对象进行小规模的标记

回收方法区

• 回收常量：常量池中的常量、类、方法、字段的符号引用
• 回收类型：不再被使用的类

垃圾收集算法

分代收集理论

• 弱分代假说（Weak Generational Hypothesis）：绝大多数对象都是朝生夕灭的
• 强分代假说（Strong Generational Hypothesis）

熬过越多次垃圾收集过程的对象就越难以消亡

把Java堆划分为新生代 （Young Generation）和老年代（Old Generation）两个区域。在新生代中，每次垃圾收集 时都发现有大批对象死去，而每次回收后存活的少量对象，将会逐步晋升到老年代中存放

• 跨代引用假说（Intergenerational Reference Hypothesis）：跨代引用相对于同代引用来说仅占极 少数

标记-清除算法

标记-复制算法

标记-整理算法

内存分配原则

• 对象优先在Eden分配
• 大对象直接进入老年代
• 长期存活的对象进入老年代

基础故障处理工具

• jps：虚拟机进程状况工具
• jstat：虚拟机统计信息监视工具
• jinfo：Java配置信息工具
• jmap：Java内存映像工具，获取堆转储快照
• jhat：虚拟机堆转储快照分析工具

虚拟机类加载机制

类加载的时机

双亲委派模型

Java内存模型与线程

Java内存模型

《Java虚拟机规范》中曾试图定义一种“Java内存模型” （Java Memory Model，JMM）来屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果

Java内存模型的主要目的是定义程序中各种变量的访问规则，即关注在虚拟机中把变量值存储到 内存和从内存中取出变量值这样的底层细节

• Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中（类比于物理硬件的主内存）
• 每条线程还有自己的工作内存（类比于处理器的高速缓存）
• 线程的工作内存中保存了被该线程使用的变量的主内存副本，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的数据
• 线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成

内存模型的定义：8种原子操作

volatile变量

• 内存可见性

基于volatile变量的运算在并发下并不线程安全，因为Java里的操作运算符并非原子操作

• 禁止指令重排序

happens-before原则

• 程序次序规则
• 管程锁定规则
• volatile变量规则
• 线程启动规则（start）
• 线程终止规则（join、isAlive）
• 线程中断规则（interrupt）
• 对象终结规则（finalize）
• 传递性

线程

线程是比进程更轻量级的调度执行单位，线程的引入，可以把一个进程的资源分配和 执行调度分开，各个线程既可以共享进程资源（内存地址、文件I/O等），又可以独立调度

线程的实现

内核线程

使用内核线程实现的方式也被称为1：1实现。内核线程（Kernel-Level Thread，KLT）就是直接由操作系统内核（Kernel，下称内核）支持的线程，这种线程由内核来完成线程切换，内核通过操纵调 度器（Scheduler）对线程进行调度，并负责将线程的任务映射到各个处理器上

程序一般不会直接使用内核线程，而是使用内核线程的一种高级接口——轻量级进程（Light Weight Process，LWP），轻量级进程就是我们通常意义上所讲的线程，由于每个轻量级进程都由一个 内核线程支持，因此只有先支持内核线程，才能有轻量级进程。这种轻量级进程与内核线程之间1：1 的关系称为一对一的线程模型

在主流平台的主流商用Java虚拟机普遍采用1：1的线程模型，即每一个Java线程都是直接映射到一个操作系统原生线程来实现的

局限性：

• 由于是基于内核线程实现的，所以各种线程操作，如创建、析构及同步，都需要进行系统调用。而系统调用的代价相对较高，需要在用户态（User Mode）和内核态（Kernel Mode）中来回切换

• 每个轻量级进程都需要有一个内核线程的支持，因此轻量级进程要消耗一定的内核资源（如内核线程的栈 空间），因此一个系统支持轻量级进程的数量是有限的

用户线程

使用用户线程（User Thread，UT）实现的方式被称为1：N实现。用户线程指的是完全建立在用户空间的线程库上，系统内核不能感知到用户线程的存在及如何实现的。用户线程的建立、同步、销毁和调度完全在用户态中完成，不需要内核的帮助。如果程序实现得当，这种线程不需要切换到内核态，因此操作可以是非常快速且低消耗的，也能够支持规模更大的线程数量，部分高性能数据库中的多线程就是由用户线程实现的。这种进程与用户线程之间1：N的关系称为一对多的线程模型

局限性：

没有系统内核的支援，所有的线程操作都需要由用户程序自己去处理。线程的创建、销毁、切换和调度都是用户必须考虑的问题，而且由于操作系统只把处理器资源分配到进程，那诸如“阻塞如何处理”、“多处理器系统中如何将线程映射到其他处理器上”这类问题解决起来将会异常困难，甚至有些是不可能实现的

混合实现

将内核线程与用户线程一 起使用的实现方式，被称为N：M实现

线程调度

• 协同式 （Cooperative Threads-Scheduling）线程调度

实现简单。线程的执行时间由线程本身来控制，线程把自己的工作执行完了之后，要主动通知系统切换到另外一个线程上去。因为切换操作对线程自己是可知的，所以一般没有什么线程同步的问题

线程执行时间不可控制。如果一直不告知系统进行线程切换，那么程序就会一直阻塞在 那里

• 抢占式（Preemptive Threads-Scheduling）线程调度

每个线程将由系统来分配执行时间，线程的切换不由线程本身来决定

Java使用的线程调度方式就是抢占式调度。在Java中，有Thread::yield()方法可以主动让出执行时间，但是如果想要主动获取执行时间，线程本身是没有什么办法的