【基础】虚拟机原理

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一、简介

简介：虚拟机主要用于自动内存管理

  • JVM是指JAVA平台的虚拟机，如：HotSpot、JRockit
  • DVM和ART都是Android平台的虚拟机，在Android 5.0以后使用ART替代DVM，

为什么DVM会被ART替代？

  1. ART采用了AOT静态编译，提高了启动速度和运行效率；
  2. ART对垃圾回收机制进行了优化，采用了并发设计，减少了垃圾回收过程中的停顿时间；
  3. ART支持64位处理器，而DVM主要针对32位处理器设计；

二、编译过程

2.1 通过javac命令编译成.class字节码文件

image.png
  • Android中会再次使用ProGuard混淆优化.class文件
  • 可以使用010editor工具查看
  • 通过javap命令打印堆信息，并通过JVM命令手册查看指令集含义
image.png

2.2 通过dx命令编译成.dex字节码文件

  • D8命令用于取代dx命令
  • R8命令用于取代ProGuard+D8

三、类装载过程

加载->验证->准备->解析->初始化->使用->卸载

3.1 加载

类加载器：将dex字节码文件加载到JVM中

  • 启动类加载器： 由C++编写，负责加载lib目录下Java核心库，直接嵌入到JVM中
  • 扩展类加载器： 负责加载ext扩展目录
  • 应用类加载器： 负责加载应用程序的类路径（classpath）上的类
  • 自定义类加载器： 负责加载继承ClassLoader的自定义类

双亲委派模型： 当一个类加载器收到类加载请求时，它首先会将请求委托给其父加载器去完成，如果父加载器无法完成加载任务，子加载器才会尝试自己加载。这种模型确保了Java核心库的安全性和类的唯一性，防止了核心类被重复加载和篡改。 沙箱安全

3.2 验证

  • 文件格式验证
  • 元数据验证
  • 字节码验证
  • 符号引用验证

3.3 准备

  • 为类变量分配内存和设置初始值
  • 静态变量如果是final的基本类型，则在准备阶段赋值
  • 静态变量如果是final的引用类型，则在初始化阶段赋值

3.4 解析

执行引擎：把类中的符号引用转换为直接引用

  • JIT动态编译：基于栈的架构
  • AOT静态编译：基于寄存器的架构，Android 7.0后，第一次启动使用JIT，空闲时对应用AOT编译

3.5 初始化

  • 对静态代码块和静态变量赋值
  • 先初始化父类

3.6 使用

从main方法开始执行

3.7 卸载

执行完毕后，开始消耗Class对象

四、虚拟机组成

也称为运行时数据区/内存模型

image.png

4.1 堆

  • 年轻代

特点:生命周期较短，主要存储对象和数组 分三个区：Eden（80%）+2个Survivor（S0、S1）

晋级老年代方式：

年龄达到阈值：gc>=15不被回收

担保机制：担保机制的作用是保证即使在极端情况下，例如老年代空间不足，仍然能够确保新生代中的对象能够顺利晋升到老年代，从而避免因为老年代空间不足而导致的垃圾回收失败或者频繁触发 Full GC

动态年龄判断：在survivor区中，所有年龄的对象的所占空间的累加和大于survivor空间的一半，大于或等于该年龄的对象，都可以进入老年代。

大对象humongous：由-XX:PretenureSizeThreshold参数决定

  • 老年代：生命周期较长

old分区

4.2 虚拟机栈

  1. 每个线程运行时所需要的内存称为虚拟机栈，先进后出
  2. 默认1024k内存，栈帧内存并非越大越好，因为内存是有限的，过大会导致线程数变少
  3. 避免递归调用导致爆栈，利用尾调用优化
  4. 主要存储局部变量和方法
  • 栈帧
  1. 由多个栈帧组成，每个栈帧对应每次方法调用时所需要的内存
  2. 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的方法
  3. 默认是线程安全的，如果有参数或者返回值则不是安全的
  • 栈帧组成
  1. 局部变量
  2. 操作数栈
  3. 动态链接/参数
  4. 方法出口/返回地址

4.3 本地方法栈

  1. 本地方法栈用于执行本地方法，即那些使用Java本地接口（JNI）或其他技术编写的非Java方法，如C或C++
  2. 每个线程都有自己的本地方法栈，用于支持本地方法的调用和执行

4.3 程序计数器

  • 线程私有的，每个线程有一个程序计数器
  • 记录执行到的字节码行数，用于挂起后恢复继续执行

4.4 方法区/元空间/永久代

永久代：Java8之前方法区是在堆内存永久代中，被废弃，因为可能导致OOM

  • 元空间

    存储：静态变量、常量、类结构信息

  • 运行时常量池

    类加载时，它的常量信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为 真实地址

4.5 直接内存/操作系统内存

  • 直接内存是Java NIO（New Input/Output）中引入的一种内存类型，它允许Java程序直接在Java堆之外的本地内存中分配缓冲区。
  • 直接内存的分配和回收不需要JVM垃圾回收器的干预，因为它不被视为GC堆的一部分。
  • 直接内存可以通过ByteBuffer.allocateDirect()方法进行分配
  • IO有2个缓存区（系统缓冲区和Java缓冲区），NIO是共享缓冲区，回收成本高

五、垃圾回收

指的是堆内存回收，当栈帧弹栈以后，栈内存会自动释放

5.1 标记算法

使用可达性分析（GC Roots）算法来标记

  • 强引用： 没有引用时，GC才能回收
  • 软应用SoftReference： 内存不足时，GC才回收
  • 弱引用WeakReference： 只要GC就回收
  • 虚引用PhantomReference： 配合ReferenceQueue引用队列使用，主要作用是跟踪对象何时被垃圾回收器标记为“可回收”的状态

5.2 回收算法

  • 标记清除： 标记所有活跃对象，然后清除所有未标记的对象
  • 标记整理： 重新排列存活对象，消除内存碎片
  • 标记复制： 当“from”区中的对象被认为是垃圾时，垃圾回收器会将所有存活的对象复制到“to”区

分代收集算法：

  • 年轻代：复制算法
  • 老年代：标记清除或标记整理

5.3 垃圾收集器

  • Serial 串行垃圾收集器

    整个过程在单线程中执行，会暂停应用线程（Stop-The-World，STW）。

  1. 标记：遍历对象图，标记所有从GC Roots可达的对象。
  2. 清除：清除所有未标记的对象。
  • Parallel 并行垃圾收集器

适用于多核处理器，减少STW时间

  1. 标记：与Serial类似，但在会分成多个区域多线程中执行。
  2. 清除：清除所有未标记的对象。
  • CMS（Concurrent Mark Sweep） 并发标记清除垃圾收集器

旨在减少垃圾回收过程中的停顿时间，特别是减少老年代的回收停顿。

  1. 初始标记：快速标记从GC Roots直接可达的对象。
  2. 并发标记：并发地遍历对象图，标记所有存活对象。
  3. 最终标记：修正并发标记阶段可能遗漏的对象。
  4. 并发清理：回收标记为死亡的对象，并尝试减少内存碎片。
  • G1（Garbage-First） 垃圾优先收集器：采用标记复制算法，分区回收

旨在提供可预测的停顿时间，同时优化大堆内存的性能。

  1. 初始标记：快速标记从GC Roots直接可达的存活对象。
  2. 并发标记：并发地遍历堆中的对象图，标记存活对象。
  3. 最终标记：修正并发标记阶段可能遗漏的对象。
  4. 筛选回收：根据回收价值和成本，选择一部分区域进行回收，以满足停顿时间的目标。
  5. 清理：回收选定区域中标记为死亡的对象。
  • ZGC低延迟垃圾收集器

目标是实现低延迟回收，适用于大堆内存。

  • 并发标记：使用染色指针技术并发地标记存活对象。
  • 并发清理：并发地回收标记为死亡的对象。
  • 压缩：必要时，压缩堆以减少内存碎片。
  • Shenandoah 低延迟垃圾收集器

六、实战

6.1 内存泄漏检测

利用弱引用实现

6.2 插件化

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