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深入解析JVM原理,JVM到底是什么

运行时数据区结构

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堆、栈、方法去的交互关系

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1、介绍:

《Java虚拟机规范》中明确说明:“尽管所有的方法区在逻辑上是属于堆的一部分,但一些简单的实现可能不会选择去进行垃圾收集或者进行压缩。”但对于HotSpotJVM而言,方法区还有一个别名叫做Non-Heap(非堆),目的就是要和堆分开。所以,方法区看作是一块独立于Java堆的内存空间。

  • 方法区(Method Area)与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域。

  • 方法区在JVM启动的时候被创建,并且它的实际的物理内存空间中和Java堆区一样都可以是不连续的。

  • 方法区的大小,跟堆空间一样,可以选择固定大小或者可扩展。

  • 方法区的大小决定了系统可以保存多少个类,如果系统定义了太多的类,导致方法区溢出,虚拟机同样会抛出内存溢出错误:java.lang.OutofMemoryError:PermGen space (8前)或者 java.lang.OutofMemoryError:Metaspace(8以及以后)

    • 加载过多第三方jar包;Tomcat部署项目过多;大量动态的生成反射类
  • 关闭JVM就会释放这个区域的内存。

别称:jdk7及以前(永久代),jdk8及以后(元空间)

演变

元空间的本质和永久代类似,都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代最大的区别在于:元空间不在虚拟机设置的内存中,而是使用本地内存。

永久代、元空间二者并不只是名字变了,内部结构也调整了。

2、设置方法区内存大小

  • 元数据区大小可以使用参数-XX:MetaspaceSize-XX:MaxMetaspaceSize指定,替代上述原有的两个参数。
  • 默认值依赖于平台。windows下,-XX:MetaspaceSize是21M,-XX:MaxMetaspaceSize的值是-1,即没有限制。
  • 与永久代不同,如果不指定大小,默认情况下,虚拟机会耗尽所有的可用系统内存。如果元数据区发生溢出,虚拟机一样会抛出异常OutOfMemoryError:Metaspace
  • -XX:MetaspaceSize:设置初始的元空间大小。对于一个64位的服务器端JVM来说,其默认的XX:MetaspaceSize值为21MB。这就是初始的高水位线,一旦触及这个水位线,Full GC将会被触发并卸载没用的类(即这些类对应的类加载器不再存活)然后这个高水位线将会重置。新的高水位线的值取决于GC后释放了多少元空间。如果释放的空间不足,那么在不超过MaxMetaspaceSize时,适当提高该值。如果释放空间过多,则适当降低该值。
  • 如果初始化的高水位线设置过低,上述高水位线调整情况会发生很多次。通过垃圾回收器的日志可以观察到Fu11 GC多次调用。为了避免频繁地GC,建议将-XX:MetaspaceSize设置为一个相对较高的值。

如何解决这些OOM?

1、要解决OOM异常或heap space的异常,一般的手段是首先通过内存映像分析工具(如Eclipse Memory Analyzer)对dump出来的堆转储快照进行分析,重点是确认内存中的对象是否是必要的,也就是要先分清楚到底是出现了内存泄漏(MemoryLeak)还是内存溢出(Memory Overflow)。

2、如果是内存泄漏,可进一步通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链。于是就能找到泄漏对象是通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。掌握了泄漏对象的类型信息,以及GC Roots引用链的信息,就可以比较准确地定位出泄漏代码的位置。

3、如果不存在内存泄漏,换句话说就是内存中的对象确实都还必须存活着,那就应当检查虚拟机的堆参数(-Xmx与-Xms),与机器物理内存对比看是否还可以调大,从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的情况,尝试减少程序运行期的内存消耗

3、方法区内存结构

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3.1、方法区所存储的内容:

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1、类型信息

对每个加载的类型(类class、接口interface、枚举enum、注解annotation),JVM在方法区中存储以下类型信息:
①这个类型的完整有效名称(全名=包名.类名)
②这个类型直接父类的完整有效名(对于interface或是java.lang.object,都没有父类)
③这个类型的修饰符(public,abstract,final的某个子集)
④这个类型直接接口的一个有序列表

2、域信息

JVM必须在方法区中保存类型的所有域的相关信息以及域的声明顺序。

域的相关信息包括:域名称、域类型、域修饰符(public,private,protected, static, final, volatile, transient的某个子集)

3、方法信息

JVM必须保存所有方法的以下信息,同域信息一样包括声明顺序:

  1. 方法名称
  2. 方法的返回类型(或void)
  3. 方法参数的数量和类型(按顺序)
  4. 方法的修饰符(public,private,protected,static,final,synchronized,native,abstract的一个子集)
  5. 方法的字节码(bytecodes)、操作数栈、局部变量表及大小(abstract和native方法除外)
  6. 异常表(abstract和native方法除外):每个异常处理的开始位置、结束位置、代码处理在程序计数器中的偏移地址、被捕获的异常类的常量池索引

查看 命令行输入 javap -v -p(包含private权限) xxx.class > xxx.txt

示例:

public class Test extends HashMap implements Serializable {
    private String name = "";
    private int x = 1;
    public Test(String name) {
        this.name = name;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test haha = new Test(null);
        int nameLength = haha.getNameLength();
        System.out.println(nameLength);
    }

    public int getNameLength() {
        int y = 0;
        try {
            y = name.length();
        } catch (NullPointerException e) {
            System.out.println("空指针异常");
            e.printStackTrace();
        }
        return y;
    }
}
复制代码
Classfile /D:/ideaFiles/Algorithm/out/production/Algorithm/com/lx/mySort/Test.class
  Last modified 2020-7-29; size 1145 bytes
  MD5 checksum 8f9825153f3fa6f2042785c0df59703b
  Compiled from "Test.java"
//类信息
public class com.lx.mySort.Test extends java.util.HashMap implements java.io.Serializable
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #15.#44        // java/util/HashMap."<init>":()V
   #2 = String             #45            //
 ...
{
//域信息
  private java.lang.String name;
    descriptor: Ljava/lang/String;
    flags: ACC_PRIVATE

  private int x;
    descriptor: I
    flags: ACC_PRIVATE

//方法信息
  ...
  public int getNameLength();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: iconst_0
         1: istore_1
         2: aload_0
         3: getfield      #3                  // Field name:Ljava/lang/String;
         6: invokevirtual #10                 // Method java/lang/String.length:()I
         9: istore_1
        10: goto          26
        13: astore_2
        14: getstatic     #8                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        17: ldc           #12                 // String 空指针异常
        19: invokevirtual #13                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        22: aload_2
        23: invokevirtual #14                 // Method java/lang/NullPointerException.printStackTrace:()V
        26: iload_1
        27: ireturn
//异常表
      Exception table:
         from    to  target type
             2    10    13   Class java/lang/NullPointerException
      LineNumberTable:
        line 26: 0
        line 28: 2
        line 32: 10
        line 29: 13
        line 30: 14
        line 31: 22
        line 33: 26
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
           14      12     2     e   Ljava/lang/NullPointerException;
            0      28     0  this   Lcom/lx/mySort/Test;
            2      26     1     y   I
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 255 /* full_frame */
          offset_delta = 13
          locals = [ class com/lx/mySort/Test, int ]
          stack = [ class java/lang/NullPointerException ]
        frame_type = 12 /* same */
}
SourceFile: "Test.java"
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4、静态变量
  • non-final的类变量

    static静态变量:加载时准备阶段(赋默认值)、初始化阶段赋给定值

  • 全局常量

static final:编译时(准备阶段)赋给定值

5、运行时常量池
常量池

常量池所在位置

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一个有效的字节码文件中除了包含类的版本信息、字段、方法以及接口等描述信息外,还包含一项信息那就是常量池表(Constant Pool Table),包括各种字面量和对类型、域和方法的符号引用。

常量池的作用:

一个java源文件中的类、接口,编译后产生一个字节码文件。而Java中的字节码需要数据支持,通常这种数据会很大以至于不能直接存到字节码里,换另一种方式,可以存到常量池,这个字节码包含了指向常量池的引用。在动态链接的时候会用到运行时常量池,之前有介绍。

常量池存储的数据

  1. 数量值
  2. 字符串值
  3. 类引用
  4. 字段引用
  5. 方法引用
运行时常量池
  • 运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。

  • 常量池表(Constant Pool Table)是class文件的一部分。

  • 运行时常量池,在加载类和接口到虚拟机后,就会创建对应的运行时常量池。

  • JVM为每个已加载的类型(类或接口)都维护一个常量池。

  • 运行时常量池中包含多种不同的常量,包括编译期就已经明确的数值字面量,也包括到运行期解析后才能够获得的方法或者字段引用。此时不再是常量池中的符号地址了,这里换为真实地址。

    • 运行时常量池,相对于class文件常量池的另一重要特征是:具备动态性。
  • 当创建类或接口的运行时常量池时,如果构造运行时常量池所需的内存空间超过了方法区所能提供的最大值,则JVM会抛OutOfMemoryError异常。

4、演进过程

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永久代为什么会被元空间替换

  • 永久代空间大小很难确定,太小容易GC/OOM异常,太大占用内存(元空间并不在虚拟机中、而是使用本地内存,大小仅受本地内存限制)
  • 永久代调优困难
  • 垃圾回收频率低

静态变量放到哪里?

堆空间里的永久代(7及后是堆)

5、方法区的垃圾回收

主要回收:

1、常量池中废弃的常量:字面量和符号引用...(没用被引用,则可以进行回收)

2、不再使用的类型(同时满足以下三个条件的类可被允许回收):

1)该类的所有实例都被回收了,即Java堆中不存在该类及其任何派生的子类的实例

2)该类的类加载器已经被回收了(除非精心设计,否则很难实现,如OSGI,JSP的重加载等)

3)该类对象对应的java.lang.Class对象没有在任何地方引用、无法在任何地方通过反射访问到该类的方法

关于是否要对类型进行回收,HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制,还可以使用-verbose:class以及
-XX:+TraceClass-Loading、-XX:+TraceClassUnLoading查看类加载和卸载信息

5、小结

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6、对象实例化

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pic_db39065e.png初始化:

  1. 默认初始化
  2. 显示初始化 / 代码块初始化 / 构造器初始化

7、对象的内存布局:

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示例:

pic_ef4aab63.png

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8、对象的访问定位

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8.1、访问对象的方式:

  1. 句柄访问

    reference中存储稳定句柄地址,对象被移动(垃圾回收时常见)时只会改变句柄池中到对象示例数据的指针即可,reference不用修改

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  1. 直接指针(HotSpot采用)

    内存相对于较小

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9、直接内存

  • 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。

  • 直接内存是在Java堆外的、直接向系统申请的内存区间。

  • 来源于NIO,通过存在堆中的DirectByteBuffer操作Native内存

  • 通常,访问直接内存的速度会优于Java堆。即读写性能高。

    • 因此出于性能考虑,读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。
    • Java的NIO库允许Java程序使用直接内存,用于数据缓冲区

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