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JAVA虚拟机（JVM）

2022-03-11 00:29:56   1  举报

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AI智能生成

java虚拟机专题

JVM垃圾收集器

JVM

JVM体系结构

作者其他创作

大纲/内容

JAVA内存区域

组成

类加载子系统

类加载器

运行时数据区

方法区

堆

虚拟机栈

本地方法栈

程序计数器

执行引擎

即时编译器

垃圾回收器

本地库接口

本地方法库

组成概要

两个子系统：类加载子系统、执行引擎

两个组件：运行时数据区、本地方法库

作用

类加载器：根据给定的类全限定名加载class文件到运行时数据区中的方法区

执行引擎：执行class文件中的代码指令

本地接口：调用native的接口

运行时数据区：JVM内存

java程序运行机制

直观过程：java代码文件通过源码编译器生成字节码class文件，类加载器将字节码加载到内存中，存放在运行时数据区的方法区内，同时执行引擎将字节码翻译成系统底层指令，交给CPU执行。这个过程还需要本地库接口实现

java文件——源码编译器——.class文件——类加载器——运行时数据区——执行引擎——本地库接口

分支主题

运行时数据区

线程共享数据区

方法区：存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据

java堆：虚拟机中内存最大的一块，被所有线程共享，几乎所有的对象实例都在此分配内存

线程隔离数据区

虚拟机栈：存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口灯信息

本地方法栈：与虚拟机栈作用一样，区别在于本地方法栈调用native方法服务，虚拟机栈调用java服务的

程序计数器：当前线程所执行字节码的信号指示器，通过改变这个数值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能，都需要依赖这个计数器完成

深复制与浅复制

深复制：通过新开辟内存空间来存储复制出来的对象，指针也是新的

浅复制：仅仅复制了对象的内存地址，实际还是指向同一个对象。

java大部分都是通过浅复制复制对象的，如果需要深复制，那么需要覆写clone方法，或采用序列化的机制实现

堆与栈的

1、堆是物理地址不连续的内存区域，性能较慢，在GC的时候要考虑回收算法、分代等；而栈的数据结构决定了物理地址连续、遵循先进先出原则

2、堆大小不确定，程序运行时才能决定；栈大小确定，编译期就要确认

3、栈是内部线程可见的，属于线程私有，生命周期与线程相同；堆对整个应用程序都是可见的、共享的

4、栈存放局部变量、操作数栈、返回结果，更加关注方法的执行；堆保存对象的实例和数组，更加关注数据的存储

内存泄漏

指不再使用的对象或变量一直占据在内存中，常见的是生命周期长的对象对生命周期短的对象进行引用

HotSpot虚拟机

对象创建的方式：1、new关键字；2、class类的newInstance方法；3、constructor类 newInstance方法；4、反序列化；5、clone方法

对象创建的流程

分支主题

虚拟机遇到new指令时，首先检查常量池是否已经加载类，没有的话先执行类加载。加载完毕后，考虑分配内存。若java内存是规整的，通过指针碰撞的形式分配；否则通过空闲列表分配。同时还需考虑线程并发，可采用CAS或本地线程缓冲两种方式，然后进行存储空间初始化

为对象分配内存

类加载完成后，java虚拟机会在堆中划分一块内存分配给对象。可采用指针碰撞或空闲列表来进行分配。具体采用何种方式，是看内存是否规整，而内存是否规整又跟垃圾回收器是否带压缩整理算法功能来决定

指针碰撞算法：如果内存是规整的，所有使用过的内存和空闲内存区域有区分，分配时只要将上次的内存指针地址移动对象大小的一段距离即可

空闲列表方法：需要虚拟机维护内存空闲的表，记录着空闲的地址和大小等信息。对象分配是先从空闲列表查询到足够大的内存给对象进行分配

线程安全问题

对象的创建在虚拟机中是非常频繁的行为，哪怕简单修改一个指针的位置，在并发情况下也会存在线程安全问题。即分配的动作和指针的修改不是原子性的

CAS+自旋方案：同步处理

本地线程分配缓冲：分配动作以线程维度进行，预先将线程在堆中分配一块内存，每个线程在各自的缓存带上分配。分配完才使用同步锁。这种方法称为TLAB。可通过-XX：+/-UseTLAB参数来设定是否使用TLAB

对象访问定位

程序访问JVM栈上引用的jav堆的对象。基于JVM实现。主要有句柄和直接指针两种方式

句柄：指向指针的指针，不直接指向对象，而是指向对象的指针，查找对象是先找到对象指针，再通过对象指针找到对象的真实地址，需要两次定位

直接指针：引用的就是对象的直接地址，HotSpot采用了这种方式

垃圾收集器(GC)

概念相关

java提供的自动内存管理策略，可监控对象是否超过作用域（没有任何对象引用）达到自动回收内存，垃圾回收器通常作为一个单独的低优先级的线程运行，在虚拟机空闲或空间不足时对内存堆中的对象进行清理和回收

当代码创建一个对象时，GC便开始监控这个对象的地址、大小以及使用情况。一般采用有向图的方式记录和管理堆中的所有对象，确定对象的可达性，不可达时回收这些内存空间

垃圾回收期一般只能由JVM自动执行，代码可调用system.gc()方法通知GC运行，但不保证一定会执行

java的引用类型：1、强引用（GC时不会被回收）；2、软引用（有用但不是必须的对象，内存溢出之前被回收）；3、弱引用（有用但不是必须的对象，下一次GC时被回收）；4、虚引用（无法通过虚引用获得的对象，一般用于GC时返回一个通知）

永久代也会发生垃圾回收，一般发生在永久代满了，发生完全垃圾回收（FULL-GC），一般要通过永久代空间大小参数的合理设置，避免FULL-GC

何时回收对象

引用计数法：为每个对象创建一个引用计数，有其它对象引用时+1，引用被释放时-1，计数为0时标记回收。缺点是不能解决循环引用的问题

可达性分析法：从GC-ROOT开始向下搜索，搜索走过的链条叫做引用链。当对象不在引用链时，回收对象

回收算法

标记-清除法：标记无使用的对象，直接进行回收。分为标记、清除两个阶段，是最基础的算法，其它算法再此基础上改进。实现简单、无需对象移动，过程效率低，会产生大量内存碎片

复制算法：将内存划分为两个大小相等的区域，当一块用完后复制存货对象到另一块区域，再把原来的区域清除掉。缺点为内存效率不高，复制频率高，优点是不会产生内存碎片

标记-整理算法：标记不存活对象并使存活的对象向一端移动，直接清除端外的内存。优点：解决了内存碎片问题；缺点：需要复制对象并移动，一定程度降低了效率

分代算法：根据对象的存活周期划分不同的内存区域，一般是新生代和老年代，新生代使用复制算法，老年代使用标记整理算法。当前商业虚拟机都采用了这种算法。

垃圾回收器

垃圾回收算法是内存回收的方法论，垃圾回收器就是内存回收的具体实现。

分类

serial收集器：采用复制算法，新生代的单线程收集器，标记和清理都是单线程，简单高效

parNew收集器：采用复制算法，新生代的多线程收集器，在多核CPU的环境下比serial更加高效

parallelScavenge收集器：复制算法，并行收集器，高吞吐量

serial Old收集器：标记整理算法，老年代单线程收集器，是serial收集器的老年代版本

parallel收集器：标记整理算法，老年代并行收集器，吞吐量优先，是parallelScavenge的老年代版本

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：标记清除算法，老年代并行收集器，高效低停顿，牺牲了一定的吞吐量，对服务器响应速度高的服务器适合使用这种算法。可使用参数-XX:+UseConcurrentMarkSweepGC指定。将产生较多内存碎片，当剩余内存不足时，会使用serial-old进行清除

G1（Garbage First）收集器：标记整理算法，java堆并行收集器，不会产生内存碎片，并可作用于整个新生代、老年代。

分支主题

工作过程

管理的内存区域分为新生代、老年代，默认占比为1/3，2/3

新生代使用复制算法，有三个分区：Eden、To-Survivor、From-Survivor，默认占比为8：1：1

新生代执行流程：1、把Eden、From-Survivor存活对象放入To-Survivor区并清空原区域；2、From-Survivor、To-Suivivor分区交换，每次移动都存活的对象年龄+1，达到默认15时进入老年代

大对象直接进入老年代

老年代占用空间达到某个值时，将会触发FULL-GC，采用标记整理算法

以上过程的反复，构成了整个分代垃圾的回收执行流程

内存分配策略

一般来说对象通常在java堆上分配，主要在新生代的Eden区。如果启用了本地线程缓冲TLAB，则优先在线程本地缓存上分配。但总的来说规则也不是百分之百确定的，受参数配置、垃圾回收器的组合决定的

一般的规则