深入理解jvm虛擬機(jī)一

• JVM
• • Jvm基本概念
  • 運(yùn)行過程
  • 內(nèi)存區(qū)域
  • • 程序計(jì)數(shù)器
    • 虛擬機(jī)棧
    • 本地方法棧
    • 堆
    • 方法區(qū)/永久代
    • 1.8元數(shù)據(jù)區(qū)
• 回收與收集
• • 兩大回收
  • • 引用計(jì)數(shù)法
    • 可達(dá)性分析
  • 四大引用
  • • 強(qiáng)引用
    • 軟引用
    • 弱引用
    • 虛引用
• 回收算法
• • 標(biāo)記-清除（Mark-Sweep）
  • 復(fù)制（Copying）
  • 標(biāo)記-整理（Mark-Compact）
  • 分代算法
  • • 新生代
    • 老年代

JVM

Java與Jvm的關(guān)系似魚和水，而開發(fā)者與Jvm的關(guān)系似情侶相愛相殺。愛它不用像C、C++擺弄指針,把內(nèi)存控制的權(quán)利交給它,恨它一旦出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和溢出方面的問題，如果不理解它的話，無從下手，更別談優(yōu)化了。

Jvm基本概念

JVM及Java虛擬機(jī)，是可運(yùn)行Java代碼的假象計(jì)算機(jī)，Jvm是運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的，它與硬件沒有直接交互。

運(yùn)行過程

我們都知道Java源文件，通過編譯器，能夠生成相應(yīng)的.class文件，也就是字節(jié)碼文件，而字節(jié)碼文件又能通過jvm的解釋器，編譯成機(jī)器上的機(jī)器碼，大概流程如下：Java源文件—>編譯器—>字節(jié)碼文件—>jvm—>機(jī)器碼，雖然每個(gè)平臺(tái)的解釋器不同，但是虛擬機(jī)是相同的，這也就是為什么java是跨平臺(tái)的。

內(nèi)存區(qū)域

Jvm把Java程序運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存劃分為不同的數(shù)據(jù)區(qū)域，如圖所示：

jvm內(nèi)存區(qū)域主要分為線程私有（程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧、本地方法棧）、線程共享（堆、方法區(qū)）、直接內(nèi)存，線程私有的生命周期與線程相同，依賴用戶線程的啟動(dòng)/結(jié)束而創(chuàng)建/銷毀，線程共享隨虛擬機(jī)開啟/關(guān)閉而創(chuàng)建/銷毀。直接內(nèi)存并不是jvm運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，在 JDK 1.4 引入的 NIO 提供了基于 Channel 與 Buffer 的 IO 方式， 它可以使用 Native 函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，然后使用DirectByteBuffer 對(duì)象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作，這樣就避免了在 Java堆和 Native 堆中來回復(fù)制數(shù)據(jù)，因此在一些場景中可以顯著提高性能。

程序計(jì)數(shù)器

一塊較小的內(nèi)存空間，是當(dāng)前線程所執(zhí)行到的字節(jié)碼的行號(hào)指令器，每個(gè)線程都是獨(dú)立運(yùn)行的，如果正在執(zhí)行的是Java方法，則記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼行號(hào)，如果是native方法，則為空，此區(qū)域也是唯一一個(gè)在虛擬機(jī)中沒有規(guī)定任何 OOM 情況的區(qū)域。

虛擬機(jī)棧

生命周期與線程相同，是描述Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，每個(gè)方法在執(zhí)行的時(shí)候都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧針，用于存放局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行結(jié)束對(duì)應(yīng)棧針在虛擬機(jī)中的入棧和出棧。如果虛擬機(jī)棧請(qǐng)求棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StrakOverflowError異常；如果擴(kuò)展時(shí)無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存，將拋出OOM異常，可以通過xss參數(shù)來調(diào)節(jié)大小，默認(rèn)1M。

本地方法棧

與虛擬機(jī)中作用相似，區(qū)別是虛擬機(jī)棧為Java方法服務(wù)的，而本地方法棧是為native服務(wù)的，它也會(huì)拋出同虛擬機(jī)棧一樣的異常。

堆

是用來存放被創(chuàng)建的對(duì)象、數(shù)組，也是垃圾回收器進(jìn)行垃圾回收的主要內(nèi)存區(qū)域，可以通過xms、xmx來設(shè)置初始化堆大小、最大堆大小，默認(rèn)是最小1/64，最大1/4。由于現(xiàn)代的垃圾回收器都是采用分代回收，因此堆從GC的角度還可以細(xì)分為：新生代（Eden區(qū)、From Survivor區(qū)、To Survivor區(qū)）和老年代。

方法區(qū)/永久代

用來存放被Jvm加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼數(shù)據(jù)，HotSpot VM把GC分代收集擴(kuò)展至方法區(qū)， 即使用Java堆的永久代來實(shí)現(xiàn)方法區(qū)， 這樣 HotSpot 的垃圾收集器就可以像管理 Java 堆一樣管理這部分內(nèi)存，而不必為方法區(qū)開發(fā)專門的內(nèi)存管理器(永久帶的內(nèi)存回收的主要目標(biāo)是針對(duì)常量池的回收和類型的卸載，因此收益一般很小)，通過設(shè)置PermSize和MaxPermSize設(shè)置初始化和最大上限（1.7以前）。

1.8元數(shù)據(jù)區(qū)

在Jdk1.8取消了永久代，不在使用虛擬機(jī)內(nèi)的永久代而是改用本地內(nèi)存——元數(shù)據(jù)區(qū)（Metaspace），通過MetaspaceSize和MaxMetaspaceSize來設(shè)置初始化和最大上限。至于為什么不使用，理由如下：
1. 永久代調(diào)優(yōu)很難，會(huì)為 GC 帶來不必要的復(fù)雜度，并且回收效率偏低。
2. 字符串存在永久代中，容易出現(xiàn)性能問題和內(nèi)存溢出。
3. 類及方法的信息等比較難確定其大小，因此對(duì)于永久代的大小指定比較困難，太小容易出現(xiàn)永久代溢出，太大則容易導(dǎo)致老年代溢出。
4. Oracle 可能會(huì)將HotSpot 與 JRockit 合二為一。

回收與收集

兩大回收

在堆里幾乎存放了所有的實(shí)例，垃圾回收前，需要判斷哪些對(duì)象“活著”，哪些對(duì)象“死去”。

引用計(jì)數(shù)法

在java中引用和對(duì)象是有關(guān)聯(lián)的，如果操作對(duì)象就必須用引用來進(jìn)行。因此通過引用計(jì)數(shù)法來判斷一個(gè)對(duì)象是否可以被回收，被引用則計(jì)數(shù)器+1，引用失效則計(jì)數(shù)器-1，直到引用計(jì)數(shù)為0，這是基本的也是比較高效的，但是無法避免相互引用。

可達(dá)性分析

為了避免相互引用問題，Java使用的可達(dá)性分析的方法，通過“GC roots”對(duì)象作為起點(diǎn)搜索，如果沒有可達(dá)路徑，則該對(duì)象不可達(dá)，可以被回收。即使這樣，也不是說必須回收，如果該對(duì)象覆蓋了finalize()方法，重新引用對(duì)象可以進(jìn)行自救，只會(huì)自救一次。因?yàn)檫@個(gè)方法對(duì)運(yùn)行代價(jià)高，不穩(wěn)定性，因此也不推薦使用。在Java中GC roots對(duì)象包括下面四種：
1. 虛擬機(jī)棧(棧針中變量表)引用的對(duì)象
2. 本地方法棧(JNI)引用的對(duì)象
3. 方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對(duì)象
4. 方法區(qū)中常量引用的對(duì)象

四大引用

無論是引用計(jì)數(shù)法還是可達(dá)性分析，都與Java中引用有關(guān)。

強(qiáng)引用

Java中常見的引用，Object obj=new Object，即使虛擬機(jī)拋出OOM（內(nèi)存溢出）也不會(huì)釋放這部分引用，這部分容易造成內(nèi)存泄漏。

軟引用

需要用SoftReference類實(shí)現(xiàn)，描述一些還有用但非必需的對(duì)象，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存足夠時(shí)，是不會(huì)回收這部分資源，只有在系統(tǒng)內(nèi)存不夠時(shí)，這部分則會(huì)被回收。

弱引用

需要用WeakReference類實(shí)現(xiàn)，它比軟引用存活時(shí)間更短，它的生命周期只存活在下一次垃圾回收之前。

虛引用

需要 PhantomReference 類來實(shí)現(xiàn)，隨時(shí)被回收，它不能單獨(dú)使用，必須和引用隊(duì)列聯(lián)合使用，虛引用的主要作用是跟蹤對(duì)象被垃圾回收的狀態(tài)。

回收算法

標(biāo)記-清除（Mark-Sweep）

最基本的垃圾回收算法，分為兩個(gè)階段：標(biāo)記、清除。標(biāo)記可以被回收的對(duì)象，清除所有被標(biāo)記的對(duì)象。
缺點(diǎn)：空間碎片化嚴(yán)重，標(biāo)記清除，效率都不高。

復(fù)制（Copying）

為了解決碎片化問題，按內(nèi)存容量一分為二，每次只用其中的一塊，當(dāng)一塊存滿時(shí)候，把存活的對(duì)象復(fù)制到另外一塊上，把已使用的內(nèi)存塊清除。
缺點(diǎn)：內(nèi)存使用率低。

標(biāo)記-整理（Mark-Compact）

結(jié)合以上兩個(gè)算法，標(biāo)記類似于Mark-Sweep，標(biāo)記后不是清理對(duì)象，而是把存活的對(duì)象移向內(nèi)存的一端，把端以外的對(duì)象清除。

分代算法

分代算法是目前大多數(shù)JVM使用的回收算法，根據(jù)對(duì)象存活的不同生命周期來劃分內(nèi)存區(qū)域，一般化為老年代和新生代，老年代特點(diǎn)每次垃圾回收只有少量對(duì)象被回收，新生代特點(diǎn)每次垃圾回收都會(huì)有大量對(duì)象被回收，這樣就可以根據(jù)不同區(qū)域來選擇不同的回收算法。

新生代

目前大多數(shù)JVM新生代都是采用復(fù)制算法，因?yàn)樾律枰厥沾蟛糠謱?duì)象，并不是按照1:1來劃分新生代，而是劃分為一塊較大的Eden空間和兩個(gè)較小的Survivor空間（from ，to），每次都使用Eden和一部分Survivor區(qū)域，當(dāng)進(jìn)行回收時(shí)，把存活的對(duì)象復(fù)制到另一塊Survivor空間，通過xmn調(diào)整新生代大小。

對(duì)象優(yōu)先分配在新生代，大對(duì)象直接則進(jìn)入老年代（設(shè)置-xx:PretenureSizeThreshold參數(shù)），長期存活的對(duì)象進(jìn)入老年代(設(shè)置-xx:MaxTenuringThreshold，默認(rèn)15次)，為了更加適應(yīng)程序的內(nèi)存狀態(tài)，并不是要求年齡必須到15才會(huì)進(jìn)入老年代，如果在Survivor空間中所有對(duì)象大小的總和大于Survivor空間的一半，年齡大于或等于該年齡的對(duì)象也可以直接進(jìn)入老年代。

老年代

老年代存放生命周期比較長的，對(duì)象相對(duì)穩(wěn)定，所以采用標(biāo)記清除或者整理。
Minor GC：當(dāng)新生代內(nèi)存不足，回收新生代（Ende區(qū)和兩個(gè)Survivor）內(nèi)存。
Major GC：清理老年代，一般伴隨著一次Minor，效率比Minor要慢。
Full GC：清理整個(gè)堆空間，一般調(diào)優(yōu)也就是堆fullGC進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)樗鼤?huì)停止操作，單一線程進(jìn)行GC。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的深入理解jvm虚拟机一的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。