jvm 学习笔记与总结

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jvm 总结

jvm 体系

定义：jvm是一台运行java字节码文件的虚拟计算机，拥有独立的运行机制，其字节码也未必由java编译而来
jvm虚拟机
特点：
jvm 只认编译好的字节码文件，并不只是与java 绑定，因此其他语言编译结果 只要满足并包含jvm的内部的指令集、符号集、以及其他辅助信息，就可以被jvm识别并装载运行

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jvm 内存结构

包含五个模块：
1、程序计数器
2、java 虚拟机栈
3、本地方法栈
4、堆
5、方法区

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程序计数器

定义：是一块比较小的内存空间，是当前线程正在执行的那条字节码指令的地址。
作用：
1、通过改变程序计数器依次读取指令，从而实现代码的流程控制
2、在多线程情况下，程序计数器记录的是当前线程执行的位置，从而当线程切换回来时，就知道上次线程执行到哪了。
特点：
1、线程私有，每条线程都有自己的程序计数器。
2、生命周期：随着线程的创建而创建，随着线程的结束而销毁。
3、是唯一一个不会出现OutOfMemoryError的内存区域。

虚拟机栈

定义：java 虚拟机栈 是描述Java 方法运行过程的内存模型
压栈出栈过程：
当方法运行过程中需要创建局部变量时，会将局部变量的值存入栈帧中的局部变量表中
java 虚拟机栈的栈顶的栈帧是当前正在执行的活动栈，也就是当前正在执行的方法，pc寄存器会指向这个地址，只有这个活动的栈帧的本地变量可以被操作数栈使用，当在这个栈帧中调用另一个方法，与之对应的栈帧又会被创建，新创建的栈帧压入栈顶，变为当前的活动栈帧。
方法结束后，当前栈帧被移出，栈帧的返回值变成新的活动栈帧中操作数栈的一个操作数。如果没有返回值，那么新的活动栈帧中操作数栈的操作数没有变化。
特点：
1、虚拟机栈与线程是对应的，数据不是线程共享的，不用关心数据一致性问题，也不存在同步锁的问题
2、Java 虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。
    StackOverFlowError 若 Java 虚拟机栈的大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度时，抛出 StackOverFlowError 异常。
    OutOfMemoryError 若允许动态扩展，那么当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展时，抛出 OutOfMemoryError 异常。
Java 虚拟机栈也是线程私有，随着线程创建而创建，随着线程的结束而销毁。

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堆

定义：堆是用来存储对象的内存空间，几乎所有的对象都存储在堆中
特点：
1、线程共享，整个java 虚拟机中只有一个堆，所有的线程都访问一个堆
2、在虚拟机启动时创建
3、分为：老年代、新生代
4、Java 堆所使用的内存不需要保证是连续的。而由于堆是被所有线程共享的，所以对它的访问需要注意同步问题，方法和对应的属性都需要保证一致性。

深入：
1、堆内存设置：
    -Xms 堆起始内存 -Xmx 堆最大内存，一般设置 Xmx = Xms，目的是为了在java 垃圾回收机制清理完堆后 不需要重新分隔计算堆区的大小，从而提高性能
2、年轻代与老年代：

方法区

定义：是堆的一个逻辑部分，存放（已加载的类信息、常量、静态变量、编译后的代码）
特点：
1、线程共享，整个虚拟机中只有一个方法区
2、永久代。 方法区中的信息一般需要长期存在，而且它又是堆的逻辑分区，因此用堆的划分方法，把方法区称为“永久代”。
3、内存回收效率低。 方法区中的信息一般需要长期存在，回收一遍之后可能只有少量信息无效。主要回收目标是：对常量池的回收；对类型的卸载。
4、Java 虚拟机规范对方法区的要求比较宽松。 和堆一样，允许固定大小，也允许动态扩展，还允许不实现垃圾回收。

运行时常量池

方法区中存放：类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。常量就存放在运行时常量池中。

当类被 Java 虚拟机加载后， .class 文件中的常量就存放在方法区的运行时常量池中。而且在运行期间，可以向常量池中添加新的常量。如 String 类的 intern() 方法就能在运行期间向常量池中添加字符串常量。

直接内存

直接内存是除 Java 虚拟机之外的内存，但也可能被 Java 使用。

操作直接内存
在 NIO 中引入了一种基于通道和缓冲的 IO 方式。它可以通过调用本地方法直接分配 Java 虚拟机之外的内存，然后通过一个存储在堆中的DirectByteBuffer对象直接操作该内存，而无须先将外部内存中的数据复制到堆中再进行操作，从而提高了数据操作的效率。

直接内存的大小不受 Java 虚拟机控制，但既然是内存，当内存不足时就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

直接内存与堆内存比较
直接内存申请空间耗费更高的性能
直接内存读取 IO 的性能要优于普通的堆内存。
直接内存作用链： 本地 IO -> 直接内存 -> 本地 IO
堆内存作用链：本地 IO -> 直接内存 -> 非直接内存 -> 直接内存 -> 本地 IO
服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

对象内存布局、对象创建过程以及访问方式

对象内存布局

在 HotSpot 虚拟机中，对象的内存布局分为以下 3 块区域：

  • 对象头（Header）

  • 实例数据（Instance Data）

  • 对齐填充（Padding）

    对象头：哈希码，gc分代年龄，线程持有的锁，线程id 实例数据：实例数据部分就是成员变量的值，其中包括父类成员变量和本类成员变量。

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对象创建过程

1、类加载：首先判断常量池中该类是否被加载、初始化了，如果没有先执行相应的类加载过程
2、为对象分配内存：类加载完成后便可以完全确定 对象所需要的内存大小，给对象分配相应的堆内存
3、初始化：分配完内存后，为对象中的成员变量赋上初始值，设置对象头信息，调用对象的构造函数方法进行初始化。

对象的访问方式

对象的存储空间放在堆中，而对象的引用放在栈中，

垃圾收集策略与算法

Gc Root 的定义：

  • Java 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
  • 本地方法栈中引用的对象
  • 方法区中常量引用的对象
  • 方法区中类静态属性引用的对象

可达性分析发

所有与 GC Roots 相关的对象是有效对象，无关则为 无效对象（需回收）

标记回收算法

遍历所有的GC Roots，所有 Gc roots 可达的对象标记为存活的对象，其他对象全部清除，存在两缺点

  • 效率问题：标记和清除两个过程的效率都不高
  • 空间问题：清除后产生大量不连续的内存碎片，后续非配大对象时，无法找到连续的内存

复制算法（用于新生代）

将内存分为两块，当需要进行垃圾回收时，将存活的对象复制到另外一块上、另一块完全清除，优劣势如下：

  • 优点：不会有内存碎片问题
  • 缺点：内存缩小为原来的一半，浪费空间

为了解决空间利用率的问题，可以将内存分为三块： Eden、From Survivor、To Survivor，比例是 8:1:1，每次使用 Eden 和其中一块 Survivor。回收时，将 Eden 和 Survivor 中还存活的对象一次性复制到另外一块 Survivor 空间上，最后清理掉 Eden 和刚才使用的 Survivor 空间。这样只有 10% 的内存被浪费。

但是我们无法保证每次回收都只有不多于 10% 的对象存活，当 Survivor 空间不够，需要依赖其他内存（指老年代）进行分配担保。

标记-整理算法（老年代）

标记：它的第一个阶段与标记-清除算法是一模一样的，均是遍历 GC Roots，然后将存活的对象标记。

整理：移动所有存活的对象，且按照内存地址次序依次排列，然后将末端内存地址以后的内存全部回收。因此，第二阶段才称为整理阶段。

这是一种老年代的垃圾收集算法。老年代的对象一般寿命比较长，因此每次垃圾回收会有大量对象存活，如果采用复制算法，每次需要复制大量存活的对象，效率很低。

内存分配规则

对象主要分配到 新生代的 Eden，少数分配老年代，当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次 Minor Gc

  • Minor GC:回收新生代（包括 Eden\Survivor）,因为 Java 对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以 Minor GC 非常频繁，一般回收速度也比较快。
  • Major GC / Full GC: 回收老年代，出现了 Major GC，经常会伴随至少一次的 Minor GC，但这并非绝对。Major GC 的速度一般会比 Minor GC 慢 10 倍 以上。

对象进入老年代：

  • 大对象直接进入老年代，大对象是指需要大量连续内存空间的Java 对象，如：很长的字符串或数据
  • JVM 给每个对象都定义了年龄计数器，每一次 Minor GC 存活下来的对象 年龄 +1，达到阈值进入老年代，可配置
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