JVM虚拟机

两对鸡翅
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1. 运行时区域划分

  • 方法区：静态变量static、常量final、字符串常量池、类信息
  • 虚拟机栈：方法被调用时，会入栈。含有局部变量、方法入口、操作数栈
  • 本地方法栈：与虚拟机栈类似，本地方法（native）被调用时，会入栈。
  • 堆：堆被划分为新生代、老年代和永久代。其中jdk8之后，元空间取代永久代实现方法区。
  • 程序计数器：指向下一条要执行的指令

2. 类加载过程

image.png Java源代码经过编译得到二进制字节码文件，类加载器再将字节码文件加载到JVM内存中，然后经过连接、初始化等操作，完成类的加载过程。

  1. 加载： 类加载器将字节码文件加载到JVM内存中，在方法区创建对应的 Class 对象，作为 .class 文件进入内存区域后的数据访问入口。
  2. 验证： 验证字节码文件是否符合JVM规范，不会对JVM有安全性问题。对元数据的验证，比如检查类是否继承了final修饰的类；对符号引用的验证，比如检查符号引用是否能通过全限定名找到以及相关语法。
  3. 准备： 为类变量（static）开辟内存空间并赋默认值，八大基本类型（byte、short、char、int、long、float、double、boolean）默认值为0/false；对应包装类（Byte、Short、Integer、Long、Float、Double、Character、Boolean）和引用类型默认是null。静态常量默认值为声明时指定的值。若显示指定了变量的值，那么就赋指定的值。比如public static int c=10，在准备阶段，c的值就是10。
  4. 解析： 将类、接口、方法和字段的符号引用转为直接引用。符号引用是类文件中的一个名字和描述符，而直接引用是指向内存中的地址或常量池中的引用。这里指静态的方法和属性。
  5. 初始化： 执行类的构造器方法。JVM会执行类变量的赋值操作和静态代码块（static block）中的代码。若类中有父类，父类的初始化会先于子类的初始化执行。若静态变量在声明时已经被赋值（public static int value=123），即准备阶段就已经赋值了，此时如果有额外的赋值操作或静态代码块中的代码，会覆盖或基于准备阶段的值进一步初始化。

2.1 类加载的时机

类首次使用时才会进行类加载，对于加载过的类，会将其缓存起来。每次要加载类时，会先去缓存中找是否加载过，如果找到了，就直接拿来用，没找到才会去加载。

类的使用分为主动使用和被动使用。

  • 主动使用：new一个类的实例、调用类变量或给类变量赋值、运行main方法，main方法所属的类会被加载
  • 被动使用：作为父类，其子类被实例化时，会先加载父类。

Class.forName和loadClass方法都是用来加载类的

  1. 当使用ClassLoader类的loadClass()方法来加载类时，该类只进行加载阶段，不会经历初始化阶段。

  2. 利用反射Class.forName(String name,boolean initialize,ClassLoader loader)：根据initialize来决定会不会初始化该类，若为true则JVM会初始化该类，不传该参数默认强制初始化。String name是类的全名（包括包名），loader是用于加载类的类加载器。

2.2 new一个对象的过程

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3. 双亲委派机制

JVM是按需动态加载类，采用双亲委派机制，当一个类加载器需要加载类时，会先委托给其父类加载器尝试加载，若父类加载器无法加载，才会交给当前的类加载器尝试加载。

优点： ①保证Java核心库的安全性，防止恶意篡改核心类 ②避免重复加载。

首先要了解到，类加载器有哪些？

  • 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）： 负责加载Java的核心类库，如rt.jar（Java运行时库。java.util.String等）。该类加载器由C++编写，直接由JVM实现，不继承java.lang.ClassLoader类，是其他所有类加载器的父类。
  • 扩展类加载器（Extension ClassLoader）： ClassLoader的子类，负责从java.ext.dirs系统属性指定的目录中加载类库（如jar文件），这些文件通常位于jre/lib/ext目录下。
  • 应用程序类加载器（Application ClassLoader）： ClassLoader的子类，也叫系统类加载器（System ClassLoader），若没有自定义类加载器，则默认这个类加载器，负责加载用户类路径（Classpath）上的类库。
  • 自定义类加载器（Custom ClassLoader）： 开发者可以根据需要自定义类加载器，加载自己的类库。

接下来看个示例

运行一下自己写的String类的main方法，报错：找不到main方法?? 我不是写了main方法吗？为什么会找不到呢

由于Java的核心类中也有String类，加载String类的时候会先去启动类加载器尝试加载，如果启动类加载器无法加载该类，才会去扩展类加载器尝试加载..应用程序类加载器..

启动类加载器负责加载Java的核心类库，可以加载String类，所以会选择该类加载器负责加载，加载的是Java核心类库中的String类，而String官方的源码中并没有main方法，所以会报错。

这就是双亲委派机制的作用，防止篡改Java的核心类库，保证类加载的一致性。

3.1 那么又是如何防止类重复加载和类加载一致性呢？

只有父类加载器无法加载类时，才会让子类去加载，避免了多个类加载器去加载同一个类或多个类加载器加载不同的类。

4. 垃圾回收

4.1 垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法有三种：标记-清除算法、标记-整理算法和复制算法。

  1. 标记-清除： 从GC Root出发，标记所有可达对象（即活跃对象），然后再把堆中所有对象都遍历一遍，删除掉未标记的对象。

缺点：容易导致大量内存碎片，从而提前触发垃圾回收。比如当内存碎片总和大于要开辟的空间，但每个碎片又小于要开辟的空间，这时候就内存不足了。并且要扫描两次对象，一次是可达对象，一次是所有对象。

优点：适用于活跃对象较多的老年代，内存碎片化就不严重，并且老年代内存更大。

  1. 复制： 将内存分为两块区域，从GC Root出发，将所有可达对象（即活跃对象）全部复制一份到另一个区域，然后清除掉原来区域的所有对象。

缺点：需要两块一样大小的内存，将活跃对象重新复制一份，对内存要求较高。

优点：适用于活跃对象较少的新生代，98%都是要被回收的对象。只需要扫描一次空间（标记活跃对象并移动）

  1. 标记-整理： 从GC Root出发，将所有可达对象（即活跃对象）全部压缩到内存的一端，然后将边界外的对象全部清除。

优点：适用于活跃对象多的老年代。老年代中的对象往往具有较好的空间局部性，即对象之间相互引用较多。通过移动存活对象来减少内存碎片，有助于保持这种局部性，而且只需要扫描一次。

新生代中的对象生命周期通常较短，很多对象很快就会被回收。使用标记整理算法可能会因为移动对象而增加不必要的开销。

GC Roots可达对象包括：

  • 当前线程栈中引用的对象（如局部变量、操作数栈）
  • 方法区中静态属性和常量引用的对象
  • 本地方法栈中JNI（Java Native Interface）引用的对象

4.2 三种垃圾回收算法对比

时间和空间不可兼得。

收集速度：复制 > 标记-清除 > 标记-整理

内存利用率：标记-整理 > 标记清除 > 复制

4.3 垃圾回收过程

要了解垃圾回收的过程，首先要知道对象在堆中是如何分配内存的

Java技术体系的自动内存管理，最根本的目标是自动化地解决两个问题：自动给对象分配内存以及自动回收分配给对象的内存。

对象的内存分配，从概念上讲基本上都是在堆上分配。新生对象通常会分配到新生代中，少数情况下（例如对象大小超过一定阈值）也可能会直接分配在老年代。

对象的分配规则并不是固定的，取决于虚拟机当前使用的是哪一种垃圾收集器，以及虚拟机中内存相关的参数设定。

  • 对象优先在新生代的伊甸园分配。
  • 大对象（比如很长的字符串或元素数量庞大的数组）需要大量连续的内存空间，分配在老年代。所以要避免使用大对象，分配空间时容易导致内存还很多的时候提前触发垃圾回收。HotSpot虚拟机提供了-XX:PretenureSizeThreshold参数，指定大于该设置值的对象直接在老年代分配，避免在伊甸区和幸存区来回复制，造成不必要的开销。
  • 长期存活的对象进入老年代，虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄（Age）计数器，对象通常在伊甸区诞生，若经过一次Minor GC后存活，且能被幸存区容纳，该对象就会被移动到幸存区，并且将对象年龄设为1，对象在幸存区每熬过一次Minor GC，年龄就+1，当增长到一定程度（默认15），就会晋升到老年代。年龄阈值可以通过-XX:MAxTenuringThreshold设置。
  • 动态对象年龄判定：为更好适应不同程序的内存状况，HotSpot虚拟机并不永远要求对象的年龄达到阈值才能晋升老年代，若幸存区中相同年龄的对象占内存的总和大于幸存区内存的一半，那么年龄>=该年龄的对象就可以直接进入老年代。
  1. 新生对象优先分配在新生代的伊甸区，当伊甸区没有足够的内存时，就会触发一次Minor GC，清理掉伊甸区和幸存1区中【死去的对象】，将活跃的对象移动到幸存0区。经过多次GC依旧存活的对象，会被移动到老年代。
  2. 当幸存0区满了，就会触发Major GC，清理老年代中【死去的对象】，为新生代腾空间。
  3. 当Major GC触发之后依旧内存不足，则会触发Full GC，对新生代和老年代进行垃圾回收。
  4. 若Major GC后依旧内存不足，则报OOM异常（内存溢出）。

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4.4 垃圾收集器

  • Serial 收集器： 新生代收集器，基于复制算法实现的单线程工作收集器，只会使用一个处理器，一条线程去完成垃圾收集工作，并且在进行垃圾收集时，必须暂停其他所有工作线程，直到它收集结束。但它依然是HotSpot虚拟机运行在客户端模式下的默认新生代收集器，简单高效（与其他收集器的单线程相比），对于内存资源受限的环境，它是所有收集器里额外内存消耗最小的；对于单核处理器或处理器核心数较少的环境，Serial 收集器由于没有线程交互的开销，可以有更高的收集效率。
  • ParNew 收集器： 实质上是 Serial 收集器的多线程并行版本，除了同时使用多条线程进行垃圾收集之外，其余的行为包括 Serial 收集器可用的所有控制参数、收集算法（复制算法）、回收策略等都与 Serial 收集器完全一致。虽然除了支持多线程外，和 Serial 收集器相比没有太多创新，但却是不少运行在服务端模式下的HotSpot虚拟机，因为除了 Serial 收集器外，目前只有它能与 CMS 收集器配合工作。
  • Parallel 收集器：基于复制算法实现的新生代收集器，也是能够并行收集的多线程收集器。特点是它的关注点与其他收集器不同，CMS等收集器关注点是尽可能缩短垃圾回收时用户线程的停顿时间，而 Parallel 收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量。 吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+运行垃圾回收时间)。
  • Serial Old 收集器：Serial 收集器的老年代版本，同样是单线程，使用标记整理算法。
  • Parallel Old 收集器：Parallel 收集器的老年代版本，多线程，标记-整理算法实现。
  • CMS 收集器： 一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。基于标记-清除算法实现。运作过程分为四个步骤：初始标记-->并发标记-->重新标记-->并发清除

初始标记：标记GC Roots的所有可达对象，速度很快，该阶段是停顿的

并发标记：从GC Roots的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程，耗时长但不需要停顿用户线程，可以与垃圾收集器线程一起并发执行。

重新标记：修正并发标记期间，因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那部分对象。该阶段停顿时间通常会比初始标记阶段稍长，但远比并发标记阶段时间短。

并发清除：清理标记阶段判断死亡的对象，由于无需移动存活对象，该阶段也可以与用户线程并发执行。

  • Garbage First （G1）收集器： 是一款主要面向服务端应用的垃圾收集器。基于标记-整理算法实现，支持多线程并行。可以预测下一次垃圾回收的停顿时间，尝试在不超过这个时间的前提下进行垃圾回收。G1 收集器将整个Java堆划分为多个小的、固定大小的区域，而非传统的将堆分为新生代和老年代，可以更加灵活地管理内存。

初始标记：标记GC Roots的所有可达对象，速度很快，该阶段是停顿的

并发标记：从GC Roots的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程，耗时长但不需要停顿用户线程，可以与垃圾收集器线程一起并发执行。

最终标记：修正并发标记期间，因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那部分对象。该阶段停顿时间通常会比初始标记阶段稍长，但远比并发标记阶段时间短。

筛选回收：计算每个区域的存活对象，选择收益最大的区域进行回收。

CMS和G1主要区别

  1. 停顿时间：CMS 主要关注减少停顿时间，而 G1 则提供可预测的停顿时间。
  2. 内存碎片：CMS 使用标记-清除算法容易产生内存碎片，G1 使用标记-整理算法，有效解决该问题。
  3. 适用区域：G1 更适合大堆内存的垃圾回收。
  4. 并发执行：CMS 在标记和清除阶段与其他工作线程并发执行，G1 在标记和选择回收区域时与其他工作线程并发执行。
  5. 配置复杂度：G1 的配置通常比 CMS 更复杂。

JVM调优

使用 jconsole 或 jprofiler 工具查看堆内存使用情况，可以知道是哪些数据占用了大量的内存，对代码进行优化。如果发现内存溢出问题是由于堆内存不足导致的，可以考虑调整JVM的启动参数，如增加堆内存大小（-Xms和-Xmx）。

常见问题

强、软、弱、虚引用

  • 强引用：就是平常用到的普通对象，内存不足时，JVM对内存进行垃圾回收，即使内存溢出，也不会将强引用对象回收掉。所以强引用对象是造成内存溢出的主要原因之一。
  • 软引用：相对强引用更弱一点的引用，用来描述一些有用但非必须的对象。内存充足时不会被回收，内存不足时会被列入回收范围。通常用在对内存敏感的程序当中，比如高速缓存。
  • 弱引用：也是用来描述非必须的对象，但比软引用更弱一些。只能存活到下一次垃圾回收，无论内存是否充足，都会被回收掉。
  • 虚引用：最弱的引用，相当于没有引用，随时可能被回收。主要作用是跟踪对象的垃圾回收状态。

一个系统多久触发一次Full GC ？

Full GC（全局垃圾回收）的触发频率完全取决于应用程序的行为和垃圾回收器的配置。

  1. 堆内存大小：若堆内存较小，可能很快就会填满，导致Full GC频繁发生。
  2. 老年代内存使用：老年代内存被填满时会触发Full GC。
  3. 新生代内存使用：若新生代内存频繁填满且大量对象晋升到老年代，也可能导致Full GC。
  4. 应用程序行为：应用程序创建对象的速度和模式会影响Full GC的频率。
  5. 内存泄漏：内存泄漏会导致内存使用不断增加，从而增加Full GC的频率。
  6. 系统负载：系统负载高时，可能无法及时回收垃圾，导致Full GC频率增加。

要减少Full GC的发生频率，可以采取以下措施：

  • 优化应用程序，减少内存泄漏。
  • 调整JVM堆内存大小，确保有足够的空间供应用程序使用。
  • 选择合适的垃圾回收器，并调整其参数以适应应用程序的需求。
  • 使用性能分析工具监控内存使用情况，并根据需要进行优化。

常用命令

启动JVM

  • java [options] classname：启动JVM并运行指定类
  • java [options] -jar filename.jar：启动JVM并运行指定的jar文件

查看JVM版本信息

  • java -version

基本配置选项

  • -Xms：设置JVM初始堆内存大小
  • -Xmx：设置JVM可以使用的最大堆内存大小
  • -Xss：设置每个线程的堆栈大小
  • -XX:MetaspaceSize=：设置元空间初始大小
  • -XX:MexMetaspaceSize=：设置元空间的最大大小

JVM性能调优选项

  • -XX:NewRatio=值：设置新生代和老年代的大小比值
  • -XX:SurvivorRatio=值：设置Eden区和Survivor区的大小比值
  • -XX:MaxTenuringThreshold=值：设置对象晋升到老年代的年龄阈值

JVM日志和监控

  • -XX:+PrintGCDetails：打印详细的垃圾回收日志
  • -Xdebug：启动JVM时开启调试支持
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