内存区域

也叫运行时数据区/内存结构，即JVM内存区域/运行时数据区，共享和私有非绝对

JVM在运行Java程序时会将内存划分为若干区域，根据Java虚拟机规范规定，大体分为线程共享数据区和线程隔离数据区
线程共享数据区包括Heap堆，Method Area方法区（1.6以后逐步淘汰替换为MetaSpace元空间）
线程隔离区域包括虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器
JVM☆☆☆ - 图1

线程共享数据区

  • 堆区
    • 一般是最大的一块，绝大多数对象在这块区域分配内存（特例：栈上分配、标量替代）
    • -Xmx/-Xms控制

  • 非堆（方法区（运行时常量池））=>元空间【1.8】

    • 主要存储的是已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等
    • hotspot实现：1.6之前称为永久代PermGen【-XX:MaxPermSize】，和老年代GC绑定（谁满了都触发），1.7部分移除，1.8被Metaspace替代（动态类越来越多不可控）
    • Metaspace=Klass Metaspace(.Class/可以没有)+NoKlass Metaspace
    • 运行时常量池：字面量和符号引用(String-intern())

      线程隔离数据区

  • 虚拟机栈/本地方法栈
    方法执行创建一个栈帧

    • 局部变量表bbcsilfdr【编译期确定大小】
    • 操作数栈
    • 动态链接
    • 方法出口

  • 程序计数器

    • 当前程序所执行的字节码行号指示器/本地方法是为undefined

    • 无OOM

      直接内存

    • mmap：FileChannel.map是java层的提供的文件映射方法，最终返回的是MappedByteBuffer类，MappedByteBuffer类是Java层提供给开发人员对文件映射内存访问和操作的统一视图，它封装了基地址addr、映射的数据size、文件描述符mfd、内存回收时的回调Unmapper，这种方式有两次DMA copy，和一次的CPU copy，但是用户态到内核态的切换（上下文切换）依旧有四次

    • transferTo（带有DMA收集拷贝功能的sendfile）它与mmap的区别就是少了两次应用程序与内核之间上下文切换和1次CPU拷贝
    • 对比
      • transferTo：适用于应用程序无需对文件数据进行任何操作的场景
      • map：适用于应用程序需要操作文件数据的场景

        内存的各个区域可能会有的Error

        堆/方法区/直接内存：OOM
        栈：OOM和StackOverflowError

        Java类

        类文件格式

        .class

CAFEBABE、类的版本、常量池、类、接口、字段、方法

魔数(4)+次版本号(2)+主版本号(2)+常量池容量(2)+[字面量(文本字符串+final常量+基本数据类型的值等)+符号引用(类/接口全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符)]n+访问标志(2)+类索引(2)+父类索引(2)+接口_interface计数器(2)+接口索引(2)_n+字段field表集合(访问标志2+简单名称索引2+描述符索引2+属性表集合可选)+方法method表集合(访问标志2+简单名称索引2+描述符索引2+属性表集合Code属性存方法代码)
属性attribute表集合=名称索引(2)+长度(4)+info

描述符：
String[][] ->[[Ljava/lang/String;
int[] -> [I
func() -> ()V

类的加载机制？

  • 生命周期
    • 加载：生成一个class对象
    • 连接
    • 验证：文件格式、元数据、字节码、符号引用
      • 准备：默认值、static会分配内存
      • 解析：具体类的信息，引用等
      • 初始化：父类没初始化先初始化父类
    • 使用
    • 卸载
  • 加载方式：main()、class.forName、ClassLoader.loadClass
  • 类加载器：BootstrapClassLoader、ExtensionClassLoader、ApplicationClassLoader、User Defined ClassLoader
  • 双亲委派原则（父类加载，避免重复加载、安全）

加验准解初使卸
（加验准解初使卸载）加载->连接（验证->准备->解析[可延后]）->初始化->使用->卸载
加载：通过全限定名获取二进制流、静态结构转为运行时数据结构、生成Class对象
验证：文件格式、元数据、字节码、符号引用验证
准备：类变量分配内存、类变量初始化值
解析：常量池中符号引用转为直接引用
初始化：执行()
https://blog.csdn.net/xiaoyami/article/details/109992002

什么是双亲委派模型？

BEAU
启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）【虚拟机唯一自带】
扩展类加载器（Extension ClassLoader）
应用类加载器（Application ClassLoader）
自定义类加载器（User ClassLoader）
组合关系
破坏：Tomcat
Common
Catalina | Shared(WebApp、Jsper)

Java对象

普通对象创建过程

普通对象不包括数组和Class对象
一般指new的过程

  • 类加载检查-分配内存-初始化零值-设置对象头-执行init方法
  • 分配内存方法：指针碰撞（内存规整）、空闲列表（内存不规整）
  • 内存分配并发问题：CAS+失败重试、TLAB
  • 对象=对象头（Mark Word+KClass Pointer+数组长度（数组对象独有））+实例数据+对齐填充
  • Mark Word

JVM☆☆☆ - 图2

  1. 检查：new参数对应的常量池中的符号引用对应的类是否加载、解析、初始化（没有先执行加载）
  2. 分配内存：指针碰撞（CAS+失败重试防止并发问题；本地线程分配缓存TLAB）、空闲列表（GC是否带压缩整理决定）
  3. 初始化零值：可提前到TLAB中使用
  4. 必要的对象头设置
  5. 对象的初始化（）

    对象在内存如何布局？

    对象=对象头+实例数据+对齐填充（可选）
  • 对象头=Mark Word+类型指针（可选）+数组长度（数组对象）
    Mark Word （TODO）
    普通对象：hashcode(25)+age(4)
  • 实例数据：各种类型的字段，第一原则：相同宽度的数据放一起；第二原则：先父后子

  • 对齐填充：8字节整数倍
    52bb5866371e48d1adadcc016a618cb6.png

    对象如何访问？

    句柄（单独空间存储实例数据指针和类型数据指针，移动修改简单）、直接指针（直接存实例对象地址，实例对象中有类型数据指针，速度快）

    Object有哪些常用方法？

    cfgehtnnw

  • Object clone() 创建与该对象的类相同的新对象

  • void finalize() 当垃圾回收器确定不存在对该对象的更多引用时，对象垃圾回收器调用该方法
  • Class getClass() 返回一个对象运行时的实例类
  • boolean equals(Object) 比较两对象是否相等
  • int hashCode() 返回该对象的散列码值
  • String toString() 返回该对象的字符串表示
  • void notify() 激活等待在该对象的监视器上的一个线程
  • void notifyAll() 激活等待在该对象的监视器上的全部线程
  • void wait() 在其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法前，导致当前线程等待

    JVM常用参数

    《深入理解Java虚拟机》P90

堆

-Xms（堆初始）与-Xmx（堆最大）相等避免堆自动扩展
-Xmn（新生代）
-XX:NewRatio 设置新生代和老年代的比值
-XX:SurvivorRatio Eden和Survivor区的比例
-XX:MaxTenuringThreshold 设置转入老年代的存活次数。如果是0，则直接跳过新生代进入老年代
-XX:PretenureSizeThreshold 直接晋升老年代的对象大小
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy 动态调整Java堆中各个区域的大小以及进入老年代的年龄
-XX:+HandlePromotionFailure 是否允许担保失败
-XX:PermSize、-XX:MaxPermSize 分别设置永久代最小大小与最大大小（Java8以前）
-XX:MetaspaceSize、-XX:MaxMetaspaceSize:分别设置元空间最小大小与最大大小（Java8以后）

栈

-Xss（栈容量，每个线程可使用内存大小）

GC

收集器设置
-XX:+UseSerialGC 设置串行收集器
-XX:+UseParallelGC 设置并行收集器
-XX:+UseParalledlOldGC 设置并行老年代收集器
-XX:+UseConcMarkSweepGC 设置并发收集器

GC统计

-XX:+PrintGC
-XX:+PrintGCDetails 打印GC详情
-XX:+PrintGCTimeStamps
-Xloggc:filename
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 开启OOM堆转储快照

并行收集器设置

-XX:ParallelGCThreads=n 设置并行收集器收集时使用的CPU数。并行收集线程数。
-XX:MaxGCPauseMillis=n 设置并行收集最大暂停时间
-XX:GCTimeRatio=n:设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比。公式为1/(1+n)

并发收集器设置

-XX:+CMSIncrementalMode 设置为增量模式。适用于单CPU情况。
-XX:ParallelGCThreads=n 设置并发收集器新生代收集方式为并行收集时，使用的CPU数。并行收集线程数

JVM垃圾回收

分代

JVM☆☆☆ - 图4

  • 新生代（Eden、From/S0、To/S1）Minor GC
  • 老年代 Major GC=Full GC

  • 永久代/元空间

    存活性判断

  • 引用计数法（循环引用）

  • 可达性分析（GCRoots：寄存器/活跃线程、虚拟机栈[栈帧的本地变量表]、全局变量空间[方法区类静态属性、方法区常量变量]、本地方法栈中JNI[Native方法]）

    Java使用的GC机制

  • 标记清除（效率、空间）：对象存活多、老年代；提前GC、碎片空间、扫描两次

  • 标记复制：对象存活少、扫描整个空间、年轻代；需要空闲空间、需要复制移动对象

  • 标记整理

    强软弱虚

  • Full GC发生的时机：老年代写满、system.gc()、持久代空间不够

  • Hotspot垃圾回收器
    • 新生代：Serial、ParNew、Parallel Scaveage
    • 老年代：CMS（CPU敏感、浮动垃圾、空间碎片）、Serial Old(MSC)、Parallel Old
    • 跨新老：G1（弱化分代、标记整理、预设停顿、利用多核减少STW；young gc、mixed gc；-XX:G1HeapRegionSize）、ZGC

标记算法

  • 引用计数法：缺点难以解决相互引用问题
  • 可达性分析

GC算法：

  • 标记-清除算法（Mark-sweep）：
    适用：对象存活比较多，老年代
    缺点：提前GC、扫描两次效率低、空间碎片
  • 复制算法：
    适用：存活对象少，扫描整个空间，年轻代
    缺点：空间利用率低，复制移动效率低
    优化：Eden(8)+Survivor(1+1)，缺点时需要老年区进行分配担保
  • 标记-整理算法：一般用在老年代
    分代收集

GC Roots包括：

  1. 虚拟机栈本地变量表中引用对象
  2. 本地方法栈中JNI（Native方法）引用的对象
  3. 方法区类静态属性/常量引用的对象

四种引用：强软弱虚
finalize：可以完成自我拯救（只有一次机会），F-Queue

Hotspot GC算法优化

OopMap：记录哪些地方是引用，避免全局扫描
安全点：主动式中断（方法调用、循环跳转、异常跳转）
安全区域：线程睡眠或者挂起等情况下，引用关系不会变，随时可以GC，如果GC Roots遍历未完成得等待完成后才能离开安全区域

垃圾回收器种类

Young：Serial、ParNew、Parallel Scavenge(1.8)：
Tenured：CMS、Serial Old(MSC)、Parallel Old(1.6之后1.8默认)
G1(9)、ZGC(11)、Shenandoah(12)-STW低于10ms,TB支持
Zing(Azul C4无STW)
Epsilon(11)

Serial/Serial Old：STW单线程运行GC

ParNew：多线程版Serial

CMS：

  • 过程：最短回收停顿，初始标记(STW)-并发标记-重新标记(STW)-并发清除
  • 缺点：CPU资源敏感、无法处理浮动垃圾、需要预留空间、碎片较多
  • 默认线程数：(CPU数量+3)/4，老年代使用了68%就会被激活

Parallel Scavenge(PS)：吞吐量优先，高效利用CPU时间，可开启GC自适应调节策略（复制）

Parallel Old：标记-整理

G1：

  • 特点：
    • 并发并行：缩短STW、高吞吐
    • 空间整合：化整为零用分区进行分代收集没有内存碎片、分配大对象不会提前full gc
    • 可预测的停顿
  • 分区：自由分区、新生代分区（Eden和Survivor）、大对象分区（大对象头分区和大对象连续分区）、老年代分区
  • 卡表（Card Table）：512字节的卡设置标志位是否脏（存在新生代对象引用）脏卡放入GC Roots（截获引用型实例变量写操作），是记忆集合（RSet）的具体实现
  • 步骤：初始标记(STW)-并发标记-最终标记(STW)-筛选回收(STW)
  • 回收模式：young gc/mixed gc
  • +UserG1GC/G1HeapRegionSize

Remember Set避免全堆扫描CardTable。
ZGC：染色指针

动态对象年龄判断：相同年龄的所有对象大小总和大于Survivor空间的一半，年龄大于等于该年龄都进老年代

什么情况下会full gc

  • 老年代写满
  • system.gc()
  • 持久代空间不足
  • 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

  • 由Eden区、From Space区向To Space区复制时，对象大小大于To Space可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象大小

    JVM性能调优

    常见场景

  • 问题现象分类->根据分类猜想原因->通过工具/实验验证猜想->问题方案

  • StackOverflow
    • 无限递归->添加返回条件
    • 栈过深->是否可以修改成非递归，改栈的大小
  • OOM几种情况
    • 内存泄漏（GC后不能回到原来水平）
    • 大对象不断产生且生命周期过长
  • OOM解决方案
    • help dump、生产机dump、mat、jmap、-helpdump
    • 优化代码
    • JVM调优
    • 加内存
  • CPU过高的几种情况
    • 线程死锁
    • 锁争用/活锁
    • 死循环
  • CPU过高解决方案
    • 查看是否是Java导致的
    • 看日志是否有报错
    • Java进程消耗CPU过高（topc -c、top -Hp pid、jstack进制转换、cat）
  • 卡顿
    • 锁争用
    • 垃圾回收频繁（调整JVM参数Ratio等）
    • 服务器网络磁盘硬件性能
    • 其他框架（数据库、中间件）
  • 卡顿解决方案
    • 查看CPU、内存、网络带宽占用等参数状态，猜想问题在哪里
    • 系统层面优化，比如加大fd
    • 从前端->后端->数据库查找性能瓶颈在哪里
  • 针对OOM和内存泄漏问题
    • 基本原则：减少gc次数和stw时间
    • 可能情况：
      • 长时间失去响应（GC停顿）
        • 大对象多->64位JDK大内存
      • 内存溢出
  • 线程死锁/锁争用导致Java进程CPU过高
    方法一
    • top
    • 查看进程内最耗费CPU的线程
      top -Hp pid
    • 该进程id是10进制的，需要转为16进制
      printf “%x” PID
    • jstack PID | grep 54ee或者导出到文件jstack PID > xxx.log
    • 4、分析栈文件，查询文件中线程状态：
      java.lang.Thread.State:
      BLOCKED过多：表示程序中有死锁的代码
      RUNNABLE过多：表示程序一直在处理，检查是否有死循环
      WAITING：无限等待另一个线程执行一个特定动作
      关注WAITING ，BLOCKED的地方 可以初步定位到问题所在
      方法二
    • jmap导出top中cpu最高PID 的dump文件
      注意点：JVM 生成 Heap Dump 的时候，虚拟机是暂停一切服务的。如果是线上系统执行 Heap Dump 时需要注意
      导出整个JVM 中内存信息
      jmap -dump:live,format=b,file=/文件路径/heap-dump.bin PID
    • 分析dump文件
      使用JDK下的jvisualvm.exe工具分析。 排查非基本数据类型 实例数和内存占用较高的包。定位到业务代码
      【建议每次间隔一段时间，便导出dump文件，多个文件对比分析，单次的dump文件参考意义不大】

方法：

  • 设置堆的最大最小值：Xms Xmx
  • 调整老年和年轻代比例：newSize
  • 查看是否存在更多持久对象和临时对象
  • 观察一段时间 看峰值老年代如何，不影响GC就加大年轻代
  • 配置好的机器可以用并发收集算法

  • 每个线程默认会开启1M堆栈，调小为500k

    调优技巧

  • 设置堆：-xms、-xmx

  • 调整老年代和新生代比例：-XX:newSize设置绝对大小
  • 是否存在很多持久对象和临时对象
  • 峰值老年代情况，不影响GC就加大年轻代
  • 配置好的机器可以用并发收集算法
  • 每个线程默认会开启1M的堆栈存放栈帧 调用参数 局部变量太大了 500k够了

  • 原则：减少gc和stw

    性能检测工具

  • 常用：dump、自动dump、dump分析

  • jps、jinfo、jstat、jstack、jmap、jhat
  • jconsole,jvisualvm、jprofiler、MAT

  • 阿里Arthas

    《深入理解Java虚拟机》P103

  • jps

  • jstat
  • jinfo
  • jmap
  • jhat
  • jstack
  • HSDIS
  • JConsole
  • VisualVM
  • javap

  • 内存映像分析工具 Eclipse Memory Analyzer 判断是内存泄漏还是内存溢出

    内存溢出或泄漏的检查工具

  • jasvism？？

  • dump

    • 导出阶段
      • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
      • jmap -dump:format=b,file=heap.bin
      • 监控配置自动dump
    • 分析阶段
      • mat
      • jhat

        什么情况下会发生OOM?

        除了PC之外都可能会OOM，可能是内存泄漏或者内存溢出

  • java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space java堆内存溢出。此种情况最常见，一般由于内存泄露或者堆的大小设置不当引起。对于内存泄露，需要通过内存监控软件查找程序中的泄露代码，而堆大小可以通过虚拟机参数-Xms,-Xmx等修改

  • java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 永久代溢出。即方法区溢出了，一般出现于大量Class或者jsp页面，或者采用cglib等反射机制的情况，因为上述情况会产生大量的Class信息存储于方法区。此种情况可以通过更改方法区的大小来解决，使用类似-XX:PermSize=64m -XX:MaxPermSize=256m的形式修改。另外，过多的常量尤其是字符串也会导致方法区溢出

  • java.lang.StackOverflowError ———> 不会抛OOM error，但也是比较常见的Java内存溢出。JAVA虚拟机栈溢出，一般是由于程序中存在死循环或者深度递归调用造成的，栈大小设置太小也会出现此种溢出。可以通过虚拟机参数-Xss来设置栈的大小

    逃逸分析

    子程序分配一个对象并返回一个该对象的指针，该对象可能在程序中被访问到的地方无法确定，这样指针就成功“逃逸”了
    发生在JIT时候
    https://www.cnblogs.com/dengchengchao/p/13255714.html
    不能逃逸可做如下优化：

  • 对象栈上分配

  • 分离对象或者标量替代（-XX:+DoEscapeAnalysis表示开启逃逸分析，JDK8是默认开启的）
  • 同步锁粗化、锁消除