JVM启动流程和基本结构

JVM启动流程和基本结构

JVM启动流程

JVM基本结构

详细介绍内存空间作用

Java堆（Heap）

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。　　Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。 　　根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区（Method Area） 　　方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储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数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。 　　对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。 　　Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是有必要的。根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

程序计数器（Program Counter Register） 　　程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的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、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。 　　由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。 　　如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空（Undefined）。 此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

虚拟机栈（VM Stacks） 　　与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。 　　局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。 　　其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。 　　在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈（Native Method Stacks） 　　本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

垃圾回收机制 　　Java语言中一个显著的特点就是引入了垃圾回收机制，使c++程序员最头疼的内存管理的问题迎刃而解，它使得Java程序员在编写程序的时候不再需要考虑内存管理。由于有个垃圾回收机制，Java中的对象不再有“作用域”的概念，只有对象的引用才有“作用域”。垃圾回收可以有效的防止内存泄露，有效的使用空闲的内存。

垃圾回收机制中的算法 　　Java语言规范没有明确地说明JVM使用哪种垃圾回收算法，但是任何一种垃圾回收算法一般要做2件基本的事情：（1）发现无用信息对象；（2）回收被无用对象占用的内存空间，使该空间可被程序再次使用。

空间分布和垃圾回收流程

由上图所示，Java的堆空间被分为了三个区域，分别是新生代（Young Generation）、老年代（Old Generation）和永久代（Permanent Generation）。　　在老年代中，存放着从新生代中经历了多次垃圾回收后仍然存活的对象，这些对象相对较少，而老年代内存一般很大，并不容易塞满，因此老年代的垃圾回收频率要远远低于新生代，从而减少了对系统性能的影响。永久代中主要存放Java类本身的数据信息，当Java类不再被使用时，也会被垃圾回收掉。 　　开发者们通常无法预测永久代的大小，导致程序经常出现“java.lang.OutOfMemoryError: Permgen space”错误，因此在Java 8中，使用jvm进程原生内存空间的Metaspace代替了永久代。在默认情况下，Metaspace将使用jvm进程所有可用的内存。

垃圾回收算法

　　标记清除算法 （Mark-sweep ） 　　

将需要清除的对象标记，然后直接清除，这样就会留下很多分散的存储空间，如果有大对象插入，会存在效率问题与空间问题（产生大量不连续的内存碎片）。如下图所示：　　

　　复制算法（Copying）

应用十分广泛，将内存分为一块较大的Eden和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden和其中一块Survivor。回收时，将Eden与Survivor复制到另一块Survivor是哪个。默认Eden与Survivor的比例是8:1。如下图所示：

　　 　　标记整理算法（Mark-Compact）

适用于老年代，将所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。如下图所示：　　 　　Generational Collection（分代收集）算法 　　分代收集算法是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法。它的核心思想是根据对象存活的生命周期将内存划分为若干个不同的区域。一般情况下将堆区划分为老年代（Tenured Generation）和新生代（Young Generation），老年代的特点是每次垃圾收集时只有少量对象需要被回收，而新生代的特点是每次垃圾回收时都有大量的对象需要被回收，那么就可以根据不同代的特点采取最适合的收集算法。 　　目前大部分垃圾收集器对于新生代都采取Copying算法，因为新生代中每次垃圾回收都要回收大部分对象，也就是说需要复制的操作次数较少，但是实际中并不是按照1：1的比例来划分新生代的空间的，一般来说是将新生代划分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden空间和其中的一块Survivor空间，当进行回收时，将Eden和Survivor中还存活的对象复制到另一块Survivor空间中，然后清理掉Eden和刚才使用过的Survivor空间，两个Survivor空间互相交换工作。而由于老年代的特点是每次回收都只回收少量对象，一般使用的是Mark-Compact算法。 　　注意，在堆区之外还有一个代就是永久代（Permanet Generation），它用来存储class类、常量、方法描述等。对永久代的回收主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。

垃圾收集器

在Java中主要有4种垃圾收集器，他们各自对于不同的内存代采用不同的算法。Java会根据当前系统的基本配置确定一个默认的垃圾收集器，你可以通过以下命令查看：

串行收集器（Serial Collector） 　　顾名思义，串行收集器指采用单线程进行垃圾回收，回收时会导致长时间的Stop-The-World，主要用于单机程序。该收集器在新生代采用复制算法，在老年代采用标记-压缩算法。可以通过-XX:+UseSerialGC命令行选项激活该收集器。 　　并行收集器（Parallel Collector） 　　该收集器同样在新生代采用复制算法，在老年代采用标记-压缩算法，只是使用了多线程的方式进行垃圾回收，从而大大提高了回收效率，但是回收过程中同时需要Stop-The-World。可以通过-XX:+UseParallelGC激活该收集器。多数情况下，并行收集器是Java的默认收集器。 　　并发标记清除收集器（Concurrent Mark Sweep Collector,CMS） 　　该收集器在在新生代中采用复制算法，在老年代采用标记-清除算法（不是标记-压缩）。之所以叫“并发”，是因为在回收过程的某些阶段，回收线程和用户线程同时执行，当然不是整个回收过程都可以和用户线程并行的，该收集器也存在Stop-The-World的时候，只是相比于其他收集器来说Stop-The-World持续时间较少而已。可以通过-XX:+UseConcMarkSweepGC激活该收集器。 　　G1收集器（Garbage First Collector） 　　G1收集器是Java世界最新的收集器，在Java 9中，它将成为默认的垃圾收集器。该收集器采用与上文中提到的收集器不同方式来对待Java对内存，如下图所示。可以通过-XX:+UseG1GC激活该收集器。

名词解释

Stop The World 　　从GC Roots进行可达性分析是，为了保持一致性，停顿所有的Java执行线程。就像时间冻结。 　　准确式GC 　　虚拟机可以知道内存中某个位置的数据具体是什么类型 OopMaps：用来记录对象引用，HotSpot使用,类加载过程中，把对象内的偏移量上是什么数据计算出来。 　　安全点 　　SafePoint 既程序执行时并非在所有地方都能停顿下来，只有安全点才能停顿。程序长时间执行的特征，例如：方法调用、循环跳转、异常跳转等 　　抢先式中断和主动式中断 　　抢先式首先把所有的线程全部中断，如果发现有线程不在安全点上，则回复线程；主动式中断：通过设置标志，线程执行时轮询标志，发现标志则自己中断。 　　安全区域（Safe Region） 　　如果程序不执行的时候，就没法中断，所以需要安全区域，一段代码片段中，应用关系不发生变化，则为安全区域。

控制参数-Xms设置堆的最小空间大小。 -Xmx设置堆的最大空间大小。 -XX:NewSize设置新生代最小空间大小。 -XX:MaxNewSize设置新生代最大空间大小。 -XX:PermSize设置永久代最小空间大小。 -XX:MaxPermSize设置永久代最大空间大小。 -Xss设置每个线程的堆栈大小。 没有直接设置老年代的参数，但是可以设置堆空间大小和新生代空间大小两个参数来间接控制。