Java JVM

JDK 1.7

线程私有的

线程共享的

一块较小的内存空间，作为当前线程所执行的字节码的行号指示器。

字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制。

在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，以便切换回来后继续执行。

唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域，它的生命周期与线程保持一致。

JVM 运行时数据区域的一个核心，生命周期与线程保持一致。

栈由一个个栈帧组成，而每个栈帧中都拥有：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址。

拥有先进后出的数据结构，只支持出栈和入栈两种操作。

局部变量表

操作数栈

动态链接

只为虚拟机使用到的 Native 方法服务的Java虚拟机栈。

最大一块内存区域，在虚拟机启动时创建，唯一目的就是存放对象实例。

注意：随着 JIT 编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，并不是所有对象都在堆中分配，JDK 1.7 默认开启逃逸分析。

垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作 GC 堆（Garbage Collected Heap）。

结构

OutOfMemoryError

JVM 运行时数据区域的一块逻辑区域。

类加载时，存储类信息、字段信息、方法信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

方法区和永久代以及元空间关系

常量池表(Constant Pool Table)

常量池表会在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

运行时常量池是方法区的一部分，受到方法区内存的限制，也会抛出 OutOfMemoryError 错误。

JVM 为了提升性能和减少内存消耗针对字符串（String 类）专门开辟的一块区域，主要目的是为了避免字符串的重复创建。

原理

JDK1.7 之前，字符串常量池存放在永久代。JDK1.7 字符串常量池和静态变量从永久代移动了 Java 堆中。

JDK 1.7 将字符串常量池移动到堆中原因

一种特殊的内存缓冲区，并不在 Java 堆或方法区中分配的，而是通过 JNI 的方式在本地内存上分配的。

堆外内存

类加载检查

分配内存

初始化零值

设置对象头

执行 init 方法

对象头

实例数据

对齐填充

Java 程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象，对象的访问方式由虚拟机实现而定。

句柄

直接指针

新生代无足够空间时，虚拟机通过 分配担保机制 把新生代的对象提前转移到老年代中。

优化策略：减少新生代的垃圾回收频率和成本。

对象年龄（Age）计数器，每次GC，年龄就增加1，年龄超过设置（默认15）则晋升到老年代中。

部分收集 (Partial GC)

整堆收集 (Full GC)：收集整个 Java 堆和方法区。

为了确保在 Minor GC 之前老年代本身还有容纳新生代所有对象的剩余空间。

给对象中添加一个引用计数器，引用+1，引用失效-1，0代表无引用。

简单高效，但使用少，原因：很难解决对象之间循环引用的问题。

以 “GC Roots” 的对象为起点向下搜索，节点所走过的路径称为引用链，当对象到 GC Roots 没有任何引用链相连则证明此对象不可达。

可以作为 GC Roots 的对象

不可达对象在死亡前，仍需要经历两次标记才能真正死亡被回收：finalize 方法和队列标记。

JDK1.2 以后，Java 对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用、软引用、弱引用、虚引用四种（引用强度逐渐减弱）

强引用（StrongReference）

软引用（SoftReference）

弱引用（WeakReference）

虚引用（PhantomReference）

除了强引用外，在程序设计中一般很少使用弱引用与虚引用，使用软引用的情况较多。

没有任何对象引用的常量就是废弃常量，如果这时发生内存回收的话而且有必要的话，废弃常量就会被系统清理。

条件

虚拟机可以对满足条件的无用的类进行回收，而不是必然被回收。

首先标记（Mark）出所有不需要回收的对象，在标记完成后统一清除（Sweep）掉所有没有被标记的对象。

最基础的收集算法，后续的算法都是对其不足进行改进得到。

问题

将内存分为大小相同的两块A和B，只使用A，当A使用完后，就将还存活的对象复制到B，然后再把A一次清理掉。

问题

标记过程与“标记-清除”算法一样，但后续是让所有存活的对象向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

由于多了整理这一步，因此效率也不高，适合老年代这种垃圾回收频率不是很高的场景。

根据对象存活周期的不同将内存分为几块（新生代和老年代），以便根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法。

JDK 8：Parallel Scavenge（新生代）+ Parallel Old（老年代）

JDK 9 ~ JDK20: G1

Serial（串行）收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器。

单线程收集器，只会使用一条线程去完成工作同时，必须暂停其他所有的工作线程（ "Stop The World" ），直到它工作结束。

新生代采用标记-复制算法，老年代采用标记-整理算法。

优点：简单而高效（与其他收集器的单线程相比），运行在 Client 模式下的虚拟机的不错选择。

Serial 收集器的多线程版本，运行在 Server 模式下的虚拟机的首选。

新生代采用标记-复制算法，老年代采用标记-整理算法。

几乎和 ParNew 收集器一样，但其关注点是吞吐量（高效率的利用 CPU），其它关注更多的是用户线程的停顿时间（提高用户体验）。

吞吐量就是 CPU 中用于运行用户代码的时间与 CPU 总消耗时间的比值。

新生代采用标记-复制算法，老年代采用标记-整理算法。

JDK1.8 默认使用的垃圾收集器是 Parallel Scavenge + Parallel Old。

Serial 收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器。

用途

Parallel Scavenge 收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法。

在注重吞吐量以及 CPU 资源的场合，都可以优先考虑 Parallel Scavenge 收集器和 Parallel Old 收集器。

以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。它非常符合在注重用户体验的应用上使用。

HotSpot 虚拟机第一款真正意义上的并发收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。

步骤

优点

缺点

从 JDK9 开始，CMS 收集器已被弃用。

面向服务器的垃圾收集器，主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器，以极高概率满足 GC 停顿时间要求的同时，还具备高吞吐量性能特征。

特点

步骤

G1 收集器在后台维护了一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先选择回收价值最大的 Region。

从 JDK9 开始，G1 垃圾收集器成为了默认的垃圾收集器。

与 CMS 中的 ParNew 和 G1 类似，ZGC 也采用标记-复制算法，不过 ZGC 对该算法做了重大改进。

ZGC 可以将暂停时间控制在几毫秒以内，且暂停时间不受堆内存大小的影响，出现 Stop The World 的情况会更少，但代价是牺牲了一些吞吐量。

ZGC 在 Java11 中引入，处于试验阶段，在 Java15 已经可以正式使用了，最大支持 16TB 的堆内存。但默认的垃圾回收器依然是 G1。

接近于 Java 语言层面的的常量概念，如文本字符串、声明为 final 的常量值等。

属于编译原理方面的概念。包括 类和接口的全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符 这三类常量。

通过全类名获取定义此类的二进制字节流。

将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构。

在内存中生成一个代表该类的 Class 对象，作为方法区这些数据的访问入口。

确保 Class 文件的字节流中包含的信息符合《Java 虚拟机规范》的全部约束要求。

组成

正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，在方法区中分配。

虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用限定符 7 类符号引用进行。

执行初始化方法 <clinit> ()方法的过程，是类加载的最后一步。

必须对类进行初始化的6种情况

注意

卸载类即该类的 Class 对象被 GC。

要求

最顶层的加载类，由 C++实现，通常表示为 null，并且没有父级。

作用

拓展

加载 %JRE_HOME%/lib/ext 目录下的 jar 包和类以及被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径下的所有类。

Java 9 引入了模块系统，并且略微更改了上述的类加载器。扩展类加载器被改名为平台类加载器（platform class loader）。

面向我们用户的加载器，负责加载当前应用 classpath 下的所有 jar 包和类。

需要继承 ClassLoader抽象类。

重写

将一个类加载器保存在线程私有数据里，跟线程绑定，然后在需要的时候取出来使用。

ClassLoader 类使用委托模型来搜索类和资源。

双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应有自己的父类加载器。

ClassLoader 实例会在试图亲自查找类或资源之前，将搜索类或资源的任务委托给其父类加载器。

在类加载的时候，系统会首先判断当前类是否被加载过。

类加载器在进行类加载的时候，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成。

只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求时，子加载器才会尝试自己去加载。

如果子类加载器也无法加载这个类，那么它会抛出一个 ClassNotFoundException 异常。

拓展

保证了 Java 程序的稳定运行，可以避免类的重复加载，也保证了 Java 的核心 API 不被篡改。

自定义类加载器并重写 loadClass(String name, boolean resolve) 方法。

单纯依靠自定义类加载器没办法满足某些场景的要求，例如，有些情况下，高层的类加载器需要加载低层的加载器才能加载的类。

应用

-Xms<heap size>[unit]
-Xmx<heap size>[unit]

heap size 表示要初始化内存的具体大小。

unit 表示要初始化内存的单位。单位为 “ g” (GB)、“ m”（MB）、“ k”（KB）。

默认情况下，YG 的最小大小为 1310 MB，最大大小为 无限制。

方式

GC调优策略

永久代

元空间

注意

通过-XX:+Use<垃圾回收器标识>指定。

串行垃圾收集器（SerialGC）、并行垃圾收集器（ParallelGC）、CMS 垃圾收集器（ParNewGC）、G1 垃圾收集器（G1GC）

通过-XX:+Print<打印内容标识>指定。

# 必选
# 打印基本 GC 信息
-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCDateStamps
# 打印对象分布
-XX:+PrintTenuringDistribution
# 打印堆数据
-XX:+PrintHeapAtGC
# 打印Reference处理信息
# 强引用/弱引用/软引用/虚引用/finalize 相关的方法
-XX:+PrintReferenceGC
# 打印STW时间
-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime

# 可选
# 打印safepoint信息，进入 STW 阶段之前，需要要找到一个合适的 safepoint
-XX:+PrintSafepointStatistics
-XX:PrintSafepointStatisticsCount=1

# GC日志输出的文件路径
-Xloggc:/path/to/gc-%t.log
# 开启日志文件分割
-XX:+UseGCLogFileRotation
# 最多分割几个文件，超过之后从头文件开始写
-XX:NumberOfGCLogFiles=14
# 每个文件上限大小，超过就触发分割
-XX:GCLogFileSize=50M