虚拟机概述

  • 虚拟机是java程序运行环境，使得java可以一次编译，处处运行
  • 常见的术语
    • JVM：java运行最基本的环境
    • JRE: Java Runtime Environment = JVM + 基础类库
    • JDK：Java Development Kit = JVM+ 基础类库 + 编译工具
    • JavaSE: Java Standard Edition = JDK+基础开发
    • JavaEE: Java Enterprise Edition = JDK+基础开发+应用服务器
  • 基本结构
    • 内存结构
    • 垃圾回收器
    • Java程序加载机制
  • 学习的目标
    • 了解java程序运行的原理
    • 掌握常用虚拟机的调试 和 配置的相关工具
    • 具备可以线上调优的能力
  • java程序的生命周期源码编写 -> 代码编译 -> 虚拟机加载 -> 虚拟机存储 -> 虚拟机运行 -> 垃圾回收

  • 内存的整体结构image-20220520095049892.png

    Java代码的运行机制

    代码编译机制

  • 将.java文件编译成.class文件 :::info javac xxx.java :::

  • 对.class的翻译方式有两种

    • 解释执行，即逐条将字节码翻译成机器码并执行;
    • 第二种是即时编译（Just-In-Time，JIT），即将一个方法中包含的所有的字节码编译成机器码后再执行
  • Hotspot默认使用是混合编译（mixed mode），那些编译，那些优化，则是由监视器（Profile Monitor）决定

  • 可以使用javap命令文件.class文件 :::info javap -c xxx.class > xxx.txt :::

    代码加载机制

  • 代码加载过程

    • Loading:使用类加载器加载类
    • Linking：是指将创建成的类合并至Java虚拟机中，使之能够执行的过程。
    • Initializing：则是为标记为常量值的字段赋值。利用这个机制可以使用的单例模式的代码可以延时加载

  • 类加载器

    • 多个类加载器
      • Bootstrap ClassLoader：加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里面所有的class或Xbootclassoatch选项指定的jar包
      • Extension ClassLoader：加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包
      • App ClassLoader：加载classpath中指定的jar包及Djava.class.path所指定目录下的类和jar
      • Custom ClassLoader：通过java.lang.ClassLoader的子类自定义加载class,属于应用程序根据自身 需要自定义的ClassLoader，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader
    • 双亲委派原则
      • 由于出现了多个类加载，那么就可能会出现类对重复加载的问题
      • 当一个类加载器收到类加载指令的时候，自己不会去加载，而且是去让父类去加载，如果父类加载器反馈自己无法完成这个请求的时候（在它的加载路径下没有找到所需加载的），然后自己加载
      • 如此就可以保证重复被类加载器加载类只有一个

        代码运行机制

  • 内存可以分为两个部分

    • 代码的存储区域
      • 方法区
      • 堆
    • 代码的运行区域
      • 栈
      • 计数器
      • 本地方法区（主要运行native的方法）
  • 代码被加载之后，都存在方法区；代码执行过程中创建的对象存储在堆中

  • 代码主要是在栈里面运行

    • 每个线程都会在栈里面被分配一块独立的空间
    • 每个线程中执行的方法，会当前栈中，再次被分配一个空间，即栈帧

      JVM的内存结构

      程序计数器

  • 程序计数器（Program Counter Register）：用于多线程在切换了记录当前运行的位置，以保证切换回来的时候可以继续

  • 是唯一一个没有内存溢出的空间

    虚拟机栈

  • Java Virtual Machine Stacks(Java 虚拟机栈) 是每个线程运行时所需要的内存。

  • 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
  • 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法
  • 栈内存可能出现的异常的情况-（1）当固定大小情况下，线程请求分配的栈容量大于Java虚拟机栈最大容量时，抛出异常：StackOverFlowError。- （2）当可拓展时，如果在拓展过程中，无法申请到足够的内存时，抛出异常：OutOfMemoryError（比如：JVM运行内存被占满，此时已经无处可以申请内存了）。

  • 栈内存的大小

    • 可以自定义设置栈的大小,通过java运行的执行设置栈的大小

      java -Xss1024k Test001
      java -XX:ThreadStackSize=1024 Test002

    • 在idea中设置vm的参数image-20220520113219827.png

    • 在eclipse中的设置image-20220520113313661.png

    • 查看默认的栈的大小

      java -XX:+PrintFlagsFinal -version | findstr /i “ThreadStackSize”

    • 不同操作系统的栈的默认大小不一样

      Linux / ARM（32位）：320 KB
      Linux / i386（32位）：320 KB
      Linux / x64（64位）：1024 KB
      OS X（64位）：1024 KB
      Oracle Solaris / i386（32位）：320 KB
      Oracle Solaris / x64（64位）：1024 KB

  • 一台服务器可以创建线程的计算公式，根据栈的大小计算可以创建线程的数量

    (MaxProcessMemory - JVMMemory - ReservedOsMemory) / (ThreadStackSize) = Number of threads

    • MaxProcessMemory 指的是一个进程的最大内存
    • JVMMemory JVM内存
    • ReservedOsMemory 保留的操作系统内存
    • ThreadStackSize 线程栈的大小

本地方法栈

1，本地方法栈的功能和特点类似于虚拟机栈，均具有线程隔离的特点以及都能抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。本地方法栈服务的对象是JVM执行的native方法，其就是一个java调用非java代码的接口，作用是与操作系统和外部环境交互
2，某个虚拟机实现的本地方法接口是使用C连接模型的话，那么它的本地方法栈就是C栈。当C程序调用一个C函数时，其栈操作都是确定的。传递给该函数的参数以某个确定的顺序压入栈，它的返回值也以确定的方式传回调用者。同样，这就是虚拟机实现中本地方法栈的行为。
3，能本地方法接口需要回调Java虚拟机中的Java方法，在这种情况下，该线程会保存本地方法栈的状态并进入到另一个Java栈。
4，描绘了这样一个情景，就是当一个线程调用一个本地方法时，本地方法又回调虚拟机中的另一个Java方法。

堆

heap定义

  • 堆内存被所有的线程共享
  • 通过new出来的对象都是在堆里面

  • 堆会出现内存溢出的问题

    堆的大小

  • 有初始的大小

  • 有最大值的大小

    1.     //字节大小 K -> M -> G -> T<br />        double initialMemory=  Runtime.getRuntime().totalMemory()/1024/1024;<br />        double maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory()/1024/1024;<br />        System.out.println("堆内存的初始总量Xms："+initialMemory);<br />        System.out.println("堆内存的最大总量Xmx："+maxMemory);

  • 默认情况下，初始内存大小=物理电脑内存大小/64 ；最大内存大小=物理电脑内存/4

  • 修改初始值和最大值的堆内存的大小 :::info -Xms10m -Xmx10m :::

    -Xms10m 初始值的大小 -XX:InitialHeapSize=10m -Xmx10m 最大值的大小 -XX:MaxHeapSize=10m

  • 查看正在运行的java程序的状态

    • jps ： 查看系统上运行的java程序进程
    • jstat：查看java的运行程序状态
    • jvisualvm：可以调用jdk提供的可视化工具进行查看

      堆内存的结构

  • 堆内存要分为一下结构

    • 新生代 + 老年代 + 永生代（1.7）
    • 新生代 + 老年代 + 元空间（1.8）
  • 新生代：新创建的对象就是放在的新生代
    • eden区：所有的对象最先出生的地方
    • Servivor区：又分为s0和s1也就是from和to
    • 新生代 和 老年代的比例是1:2
    • eden区 和 Servivor区的比例是8:1:1
    • 如果eden满了会出发MinorGC
      • 在eden区内存满了之后，会触发MinorGC，将eden区存活下来的对象放入到servivor区的s1，然后清空eden中的内存
      • 等eden的区的内存在在满了之后，又会触发MinorGC，会将S1中所有存活下来的对象和eden中存活下来的对象都放入到s0的区域，然后将s1和eden区的对象全部清空
      • 如果在minorGC中，Servivor区放不下了，就会放入到老年代中
    • Servivor区如果满了，会将一部分对象放入到老年代
  • 老年代
    • 生命周期长的内存对象
    • 一般而言新生代的对象经过15次GC没有被释放就会被放入到老年代
    • 如果老年代满了就会进行Major GC
    • 如果Major GC并释放老年代的对象，那么就会OOM

  • 永生代

    • 在1.7的时候大小是固定的
    • 在1.8之后就改成了matespace元空间，大小不受限制，和物理内存一样大

      内存活动的流程

  • 程序运行会先加载程序的元数据放入到meta区

  • 在程序的过程中逐步的创建对象放入到Eden区
  • 当Eden区中的内存满了以后，会进行Young GC/minGC，其中大多数的对象被回收，没有被回收的拷贝到（Copying）s0区
  • 再次YGC，将eden区和S0区的没有被回收的对象拷贝到S1区
  • 再次YGC，eden+S1 -> S0，然后循环4，5
  • 年龄足够拷贝到老年代（一般是15次，CMS6次）

  • 如果新创建的对象占用内存很大，则直接分配到老年代，当老年代也满了装不下的时候，就会抛出 OOM（Out of Memory）异常。

    关于GC

  • 在内存GC时候所有线程都会暂停SWT

  • minGC触发条件，就是eden区内存满了
  • oldGC触发条件，就是老年代内存满了
  • fullGC = oldGC + minGC +mateGC
    • 调用System.gc()时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行。- 老年代的空间不足。- 方法区的空间不足。- 通过Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存。- 年轻代放不下，放到老年代中，若该对象大小大于老年代，也会触发Full GC。

  • 尽量减少内存的碎片

    方法区

  • 和堆内存差不多，其实在逻辑上也是堆的一部分

  • 主要存放的内容
    • 方法区需要存储每个加载的类（类，接口，枚举，注解）
    • 域（属性）信息
    • JVM需要保存所有方法的信息及其声明的顺序
    • non-final的类变量（static）

  • 方法区大小的设置

    • 1.7的设置 :::info -XX:Permsize 设置永久代初始分配空间
      -XX:MaxPermsize 设定永久代最大可分配空间
      OutOfMemoryError:PermGen space OOM错误 :::

    • 1.8的设置 :::info -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 元数据区大小，其默认值依赖于平台。windows下，-XX:MetaspaceSize=21M -XX:MaxMetaspaceSize=-1 即没有限制。 :::

  • 方法区大小的测试

    1. //-XX:MaxMetaspaceSize=100m
    2. public class TestMethod extends ClassLoader  {
    3.   public static void main(String[] args) {
    4.       int j=0;
    5.       TestMethod test = new TestMethod();
    6.       try{
    7.           for(int i=0;i<300000;i++){
    8.               //ClassWriter作用是生成类的二进制字节码
    9.               ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
    10.               //版本号，public，类名，包名，父类，接口
    11.               cw.visit(Opcodes.V1_8, Opcodes.ACC_PUBLIC,"Class"+i,null,"java/lang/Object",null);
    12.               //返回byte[]
    13.               byte[] code = cw.toByteArray();
    14.               //执行了类的加载
    15.               test.defineClass("Class"+i,code,0,code.length);
    16.               j++;
    17.           }
    18.       }finally {
    19.           System.out.println(j);
    20.       }
    21.   }
    22. }

    垃圾回收

  • 如何定义垃圾

    • 引用计数法（reference count）：如果指向当前对象引用是0那么这个对象就会被回收，虽然简单，但是不能解决循环引用的问题
    • 根可达性分析（RootSearch）：为了解决引用计数法的循环引用问题，Java 使用了可达性分析的方法。通过一系列的“GC roots”对象作为起点搜索。如果在“GC roots”和一个对象之间没有可达路径，则称该对象是不可达的。要注意的是，不可达对象不等价于可回收对象，不可达对象变为可回收对象至少要经过两次标记过程。两次标记后仍然是可回收对象，则将面临回收。
  • 垃圾如何清除
    • 标记清除（Mark-Sweep）：最基础的垃圾回收算法，分为两个阶段，标注和清除。标记阶段标记出所有需要回收的对象，清除阶段回收被标记的对象所占用的空间。该算法最大的问题是内存碎片化严重，后续可能发生大对象不能找到可利用空间的问题
    • 复制算法（copying）：为了解决 Mark-Sweep 算法内存碎片化的缺陷而被提出的算法。按内存容量将内存划分为等大小的两块。但是最大的问题是可用内存被压缩到了原本的一半**。且存活对象增多的话，Copying 算法的效率会大大降低。
    • 标记压缩算法（Mark-Compact**）**：结合了以上两个算法，为了避免缺陷而提出。标记阶段和 Mark-Sweep 算法相同，标记后不是清理对象，而是将存活对象移向内存的一端。然后清除端边界外的对象
    • 分带收集算法：分代收集法是目前大部分 JVM 所采用的方法，其核心思想是根据对象存活的不同生命周期将内存划分为不同的域，一般情况下将 GC 堆划分为老生代(Tenured/Old Generation)和新生代(Young Generation)。老生代的特点是每次垃圾回收时只有少量对象需要被回收，新生代的特点是每次垃圾回收时都有大量垃圾需要被回收，因此可以根据不同区域选择不同的算法。

  • 垃圾回收算法

    • 在1.8默认情况下使用的是UseParallelGC

    • 查看默认的垃圾回收器的算法 :::info java -XX:+PrintCommandLineFlags -version :::

    • 如何切换垃圾回收器 :::info -XX:+UseG1GC :::

    • 可以通过jinfo 查看 垃圾回收器的配置

      小结

  • JVM的基本构成

    • 代码运行机制
    • 内存的结构
    • 垃圾回收算法
  • 代码运行机制
    • 解释翻译 + JIT即使翻译
    • 双亲委派机制
  • 内存结构
    • 程序计数器
      • 唯一没有内存泄漏的问题
    • 虚拟机栈
      • 每个线程是独立拥有
      • 设置栈的大小
    • 本地方法栈
      • 执行C方法的内存空间
    • 堆空间
      • 新生代
        • eden
        • suvivior区
      • 老年代
      • 元空间
      • 垃圾回收方式
        • minGC
        • oldGC
        • fullGC =minGC+oldGC
      • 设置堆大小的指令 和 查看内存变化的工具
    • 方法区
      • 用于存储代码，静态变量的区域
  • 垃圾回收
    • 如何定义垃圾
    • 回收的基本算法
    • 各种垃圾回收期
      • 在1.8设置使用G1垃圾回收期
  • 目标
    • 了解JVM的基本概念
    • 掌握JVM的内存的结构
    • 会设置JVM的一些参数和调试工具