Java JVM

LiuJP
194 阅读8分钟

Java 编译解释型语言

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Java 解释过程

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Java 字节码

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JVM结构

JVM结构

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类加载子系统

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ClassLoader 双亲委派

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BootStrapClassLoader 对应目录 jre/lib

ExtClassLoader 对应目录 jre/lib/ext

AppClassLoader 对应目录 classpath

String.class.getClassLoader(); 获取加载类的加载器； 如果为空则表示是BootStrapClassLoader

运行时数据区

运行时数据区

运行时数据区

PC Register Program Counter

当前执行程序的地址

java方法栈

虚拟机栈

  • 一个线程对应一个虚拟机栈，

  • 方法开始执行进栈，执行完出站，

  • StackOutFlowError 栈溢出，方法调用层数太多

  • OutOfMemoryError 内存溢出，线程太多，内存不够创建虚拟机栈

  • -Xss设置栈大小；

栈帧

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  • 一个栈帧对应一个方法

堆区

堆区

JVM规范中规定所有的对象和数组都应该存放在堆中，在执行字节码指令时，会把创建的对象存放在堆中，对象对应的引用地址存放在虚拟机栈中的栈帧中，不过方法执行完之后，刚刚所创建的对象并不会立马被回收，而是要等JVM后台执行GC后，对象才会被回收。

  • Xms：ms(memory start) 指定堆的初始化内存大小，等价于-XX：InitalHeapSize

  • Xmx：mx(memory max) 指定堆的最大内存大小，等价于-XX：MaxHeapSize

  • 默认情况下，初始化内存大小 = 物理内存大小/64，最大内存大小 = 物理内存大小/4;

  • 一般会把-Xms 和 -Xmx设置为一样，这样 JVM 就不需要再 GC 后去修改堆的内存大小了，提高效率；

  • -XX：NewRatio 参数设置新生代和老年代的比例，默认是2，新生代占比1，老年代占2，也就是新生代占堆内存总大小1/3

  • 新生代：Eden区、S0区、S1区的比例是8:1:1，-XX：SurvivorRatio

堆区对象分布
  1. 新创建对象放在 Eden 区，
  2. Eden 区满了之后进行 Young GC 之后， 把剩下的对象放入到 S0 区，并标记1
  3. Eden 区满了之后 S0 Young GC 之后，把 S0 区剩下的对象放入 S1 区，并标记2
  4. 重复 2 3 直到标记数达到 15 之后，还存活的对象放入到老年代

GC垃圾回收器

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  • Young GC ：负责对新生代进行垃圾回收

  • Old GC ：对老年代进行垃圾回收，（目前CMS垃圾回收会单独对老年代进行垃圾回收，其他垃圾回收器基本都是整个堆回收才会回收老年代）

  • Full GC ：对整个堆进行垃圾回收，包括新生代、老年代

  • 新生代存放刚创建的对象；

  • 老年代存放一些存活时间比较久的对象；

  • 新生代首先进入Eden区，Young GC 之后存活对象会从 Eden 区放到S0区，之后GC 会从S0 放到S1区，之后跳转到S0区，来回跳转15次之后，再GC 就会进去老年代；

常见的垃圾收集器

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-XX：+UseParallelGC

垃圾标记阶段

引用计数法

每个对象都保持一个引用计数器属性，用户记录对象被引用的次数

优点：

  • 实现简单，计数器为0 ，表示垃圾对象

缺点：

  • 需要额外的空间来存储计数，
  • 需要额外的时间来维护引用计数
  • 相互引用，无法处理的问题

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可达性分析法（用的最多的）

以GC Roots 作为起始点，然一层层找到所引用的对象，被找到的对象就是存活对象，那么不可达对象就是垃圾对象

GC Root 的对象有哪些：（重点前面4种）

  • 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中的引用对象，各个线程调用方法堆栈中使用到的参数、局部变量、临时变量等

  • 方法区中的类的静态属性引用的对象：java类的引用类型静态变量

  • 方法区中常量引用的对象：字符串常量池的引用

  • 本地方法中 jni（native方法） 引用的对象；

  • JVM内部引用的对象（class对象、异常对象NullPointException、OutOfMemoryError、类加载器）

  • 所有被同步锁（syncchronized关键）持有的对象

  • JVM内部的JMCBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等

  • JVM实现中的”临时性“对象，跨代引用的对象；

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GC：垃圾回收阶段

标记-清除

一种非常基础和常用的垃圾回收算法， 针对某块内存空间，比如新生代、老年代，如果可用内存不足后，就会STW，暂定用户线程执行，执行垃圾回收操作

  1. 标记阶段：从GC Roots开始遍历，找到可达对象，并在对象头中进行记录
  2. 清除阶段：堆 内存空间进行线性遍历，如果发现对象头中没有记录可达对象，则回收它

缺点：

  • 效率不高，
  • 空间碎片

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标记-复制

利用空间换时间，需要把内存空间分为两块，每次使用一块，在进行垃圾回收时，将可达对象复制到另外没有被使用的内存块中，然后在清除当前内存块中的所有对象，后续再按照同样的流程进行垃圾回收；

可达对象比较多就不适合，需要复制量就比较大

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优点 ：

  • 新生代适合标记复制

标记-整理

  1. 第一阶段：通过 GC Root 找到标记可达对象，
  2. 第二阶段：将所有存活的对象移动到内存的一端，整体清除

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总结

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分代垃圾回收算法

  • 新生代中的对象存活时间比较短，那么就可以利用复制算法，它适合垃圾对象比较多的情况
  • 老年代中的对象存活时间比较长，所以不太适合用复制算法，可以使用 标记-清除 、标记-整理算法，比如 CMS 使用标记-清除算法， Serial Old 垃圾收集器使用标记-整理

CMS 并行标记-清除算法：Concurrent Mark Sweep

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CMS 整个垃圾回收过程变长，但是用户暂停时间STW变短，而且在垃圾回收过程中大部分时间用户线程还在执行，用户体验比较好，吞吐量变低了（单位时间内执行的用户线程变少了，被CMS GC 占用）

初始标记

  • STW ，暂停所有用户线程 STW: Stop The World
  • 然后标记出 GC Roots 可达对象
  • 一旦标记完成，恢复所有工作线程继续执行
  • 这个时间比较短

并发标记

  • 并发执行，不会 STW，用户线程和 GC 线程同步执行
  • 从上一个阶段标记出来的对象，开始遍历整个老年代，标记出所有的可达对象
  • 比较耗时
  • 并发执行，可能出现误差，所以按三色标记

重新标记

  • 对上一个阶段标记的对象，进行修正，上一阶段并行
  • 需要STW ，但是时间不会很长
  • 增量更新

并发删除

  • 删除标记的对象，不需要STW
  • 由于不需要移动对象，所以和工作线程并发执行，

并发重置

CMS总结

如果在并发标记、并发清理的过程中，由于用户线程同时执行，如果有新对象进入老年代，但是空间又不够，就会造成”concurrent mode failure“，此时就会利用Serial Old来做一次垃圾收集，就会做一次全局的STW，

在并发清理的过程中，产生新的垃圾，称为”浮动垃圾“，只能等下一次 GC 的时候来清理；

由于使用标记-清除算法，所以会产生内存碎片，可以通过参数-XX：+UseCMSCompactAtFullCollection 让JVM 执行完标记-清除 之后再执行一次整理；

也可以通过-XX：CMSFullGCsBeforeCompaction 来指定多少次 GC 之后执行整理，默认是0， 每次GC之后都会整理；

G1 （Garbage First）

Garbage First

每一个方块叫Region，堆内存会分为2048个Region，每个Region的大小等于堆内存/2048;

还是分了Eden区、S0区、S1区、老年代，不过空间不是连续的

Humongous 区是专门用来存放大对象的，（如果一个对象的大小超过一个Region的50%，那么就是大对象）

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筛选回收

  • 需要STW，来清除垃圾对象，
  • 可以通过-XX：MaxGCPauseMillis 来指定GC STW 停顿的时间，所以可能不会回收掉所有垃圾对象，默认是200ms
  • 采用的复制算法，不会产生碎片（会把某个 Region 里的垃圾对象复制到另外空间 Region 区域，比如相邻的）
  • YoungGC ：Eden区满，就会触发G1的YoungGC ，对Eden区进行GC
  • MixedGC ：老年代的占用率达到了-XX：InitiatingHeapOccupancyPercnet 指定百分比，回收所有的新生代以及部分老年代，以及大对象区；
  • FullGC : 在进行MixedGC过程中，采用的复制算法，如果复制过程中内存不够，则会触发FullGC ，会STW，并采用单线程来进行标记-整理算法进行GC，相当于用一次Serial GC
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