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JVM从零到进阶

时间：2024-05-06 11:22:45浏览次数：23  
标签：进阶 对象 回收 零到 GC 垃圾 JVM 线程 加载

JVM进阶

字节码

​ 字节码为编译后的class文件，比如java、scala这些语言都是可编译成字节码的，字节码借助jvm就可以在任何平台运行，可以理解成跨平台的实现

一、运行时数据区

​ 在程序运行时，由jvm提供的几块内存区域，分别为以下几个区域:

  • 本地方法栈：执行native关键字的方法栈
  • java方法栈：执行类中方法的栈，每执行一个方法叫压栈、执行完就会出栈
  • 程序计数器：线程上下切换时，记录当前执行线程，以及下次要执行的线程地址
  • 堆：存储jvm中所产生的所有的对象
  • 方法区：包含了类中的所有信息，比如静态变量、成员变量、类信息、常量池等等
    • 执行引擎
      • 解释器：执行内存中每个字节码class文件中的指令
      • 垃圾回收器：处理jvm在内存中产生的对象
      • JIT编译器：将热点的字节码文件翻译成机器指令，且会缓存此指令

堆

  • -Xms: ms(memory start), 指定堆的初始化内存大小，等价于-- -XX:initialHeapSize

  • -Xmx:mx(memory max)，指定堆的最大内存大小，等价于-XX:MaxHeapSize

  • 一般会根据-Xms和-Xmx设置为一样，这样JVM就不需要再GC之后去修改内存大小了，提高了效率，默认情况下，初始化内存大小 = 物理内存大小 / 64, 最大内存大小 = 物理内存大小 / 4

  • 新生代为刚刚产生的对象、老年代为经过很多次GC还未被清除的对象

  • 通过-XX：NewRatio参数来配置新生代和老年代的比例分配，默认为2，表示新生代占用1，老年代占用2，也就是新生代占堆区总大小的1/3

  • 新生代

    在默认情况下(Eden区: S0区: S1区)的比例关系为(8:1:1), 也就是Eden区占新生代大小的8 / 10, 可以通过-XX： SurvivorRatio调整具体大小比例

    • Eden区：新对象进来都会先放到此区域(除非对象的大小都超过了Eden区的最大大小，那么就只能进入老年代)
    • Surviror0: 也称为fr- - om区
    • Surviror0: 也称为to区，都是用来存放MinorGC(YGC)收集后的对象

GC介绍

  • Young GC / Minor GC: 负责对新生代进行垃圾回收
  • Old GC / Major GC: 负责对老年代进行垃圾回收，目前只有CMS垃圾收集器会单独对老年代进行垃圾收集, 其他垃圾收集器基本都是整堆回收的时候对老年代进行垃圾回收
  • Full GC: 整堆回收，也会对方法区进行垃圾回收

可达性分析法

​ 所谓的GC ROOTS就是对象被引用的一个过程中的线路，比如A对象引用B对象，在GC ROOTS中的展示就是A -> B 以树形结构展示, 那它具体是包含了哪些引用呢？

  • 线程中虚拟机栈中正在执行的方法中的方法参数，局部变量所对应的对象引用
  • 线程中本地方法栈中正在执行的方法中的方法参数、局部变量所对应的对象引用
  • 方法区中保存的类信息中的静态变量属性所对应的对象引用
  • 方法区中保存的类信息中的常量池属性所对应的对象引用

什> 么时候触发垃圾回收？

​ 在Eden区的大小被对象放满了之后，就会触发MinorGC去收集未被使用的对象，如果还在使用的话，就从Eden区移到S0区、当第二次MinorGC的时候，如果S0区的对象还是没有被回收就会继续转移到S1区，并标记一下被GC了2次，当这样反复的被GC了16次之后，就会被放入到老年代！， 大对象如果Eden区放不下就会直接放在老年代中！

程序计数器

  • 是物理寄存器的抽象实现
  • 用来记录待执行的下一条指令地址
  • 它是程序控制流的指示器，循环、if else、异常处理、线程恢复等都需要依赖它来完成
  • 解释器工作时就是通过它来获取下一条需要执行的字节码指令的
  • 它是唯一一个在JVM规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域

虚拟机栈(Java栈 || Java方法栈)

  • 每一个Java方法都属于一个栈帧
    • 栈帧有哪些参数呢？
      • 局部变量表(很多个Slot)
      • 操作数栈（执行字节码过程中用于计算使用）
      • 方法返回地址
      • 动态链接
      • 附加信息
  • 方法的栈帧会根据调用链路依次压栈
  • 虚拟机栈是线程私有的
  • 方法调用层数过多，可能出现StackOverFlowError
  • 可以通过-Xss来设置虚拟机栈大小

二、类加载子系统

加载class文件步骤：比如一个编译后的class文件：Helloword.class会经过如下几个步骤：

  • 加载：将字节码文件加载到内存中
  • 链接：链接分为三个步骤
    • 验证：验证待加载的class文件是否正确，比如验证文件格式
    • 准备：为static变量分配内存并赋值
    • 解析：将符号引用解析为直接引用(符号引用：class的名称, 直接引用: class最终的内存地址)
  • 初始化：将数据初始化到对象中

类加载器的分类

  • 引导类加载器(BootStrapClassLoader)

    • BootStrapClassLoader: 加载的是jre/lib下面的jar包中的类

    • ExtClassLoader: 加载的是jre/lib/ext下面的jar包中的类

  • 自定义类加载器(继承实现ClassLoader类)

    • AppClassLoader: 加载的是自定义的类的路径的类(也就是你指定什么类 -> classpath, 就加载什么类)
    • WebAppClassLoader

双亲委派机制

双亲委派作用：避免类的重复加载、防止核心api被篡改

从AppClassLoader -> ExtClassLoader -> BootStrapClassLoader

描述：

​ 从AppClassLoader.loadClass()加载一个类的时候，它首先不是拿自己本身的ClassLoader去加载，而是使用ExtClassLoader去加载，当ExtClassLoader加载不了的时候，就再次向上找BootStrapClassLoader去加载此类，如果BootStrapClassLoader都加载不了这个类，那么最终还是由AppClassLoader 加载此类。当类.class.getClassLoader() == null就表示此类是被BootStrapClassLoader而加载的类

Tomcat为什么要自定义类加载器？

  • 一个tomcat可以跑多个应用，而多个引用可能会出现相同path + class的类出现，那么在加载的时候就可能在加载完A应用后，就放弃了B应用class的加载。
  • Tomcat就针对这种极端情况，就针对不同的应用使用继承自定义的方式(WebAppClassLoader)去加载，也就是每个应用使用自己的类加载器去加载自己应用的类，这样就不会有冲突情况，两个应用存在相同path + class也不会过滤掉不加载的情况。
  • 在JVM中判断一个类是不是被加载的逻辑是： 类名 + 对应的类加载器实例

三、GC算法

3.1、标记清除算法

​ 标记清除算法是常用的垃圾回收算法，针对某块内存空间，比如新生代、老年代，如果可用内存不够了，就会暂停JVM虚拟机(stop the world)，暂停用户线程的执行，然后执行算法进行垃圾回收。

具体使用步骤：

​ 1、标记阶段：从GC ROOT开始遍历，找到可回收的对象，并对可回收的对象进行记录。

​ 2、清除阶段：堆内存空间进行线性遍历，如果发现对象头(MARK WORD)中被记录删除了，那么就删除回收它

缺点：

​ 1、出现内存碎片 (也就是整个内存空间，有的被标记了可回收，有的不可回收)

​ 2、效率不高 (因为需要遍历整个内存空间)

3.2、复制算法

复制算法思路：将内存划分为两块，一块属于对象存储区域、另一块属于空闲区域，在进行垃圾回收时，将可达性对象复制到另一个没有被使用的内存块中，然后再清除当前内存块中的所有可回收的对象，每次GC都是按照此方法区执行。（适用于新生代GC）

优点：

​ 1、没有标记和清除阶段，通过GC ROOTS找到可达对象，直接复制，不需要修改对象头，效率高

​ 2、不会出现内存碎片

缺点：

​ 1、占用内存空间较多， 因为要空出一块空余内存来复制删除使用

​ 2、对象复制后，对象存放地址发生变化，需要额外的时间修改栈帧中记录的引用地址

​ 3、如果可达性对象较多，垃圾对象比较少，那么复制算法效率就会比较低，所以垃圾对象多的情况下，复制算法比较适合，因为它是整个区域区域的复制

3.3、标记整理算法

​ 标记整理算法分为三阶段提交：

  • 第一阶段：从GC ROOTS找到并标记可达对象
  • 第二阶段：将所有存活对象移动到内存的另一端(新的一个内存区域)
  • 第三阶段：清理边界外所有的空间

总结GC算法

GC算法对比：

从速度/开销对比 标记-清除 标记-整理 复制
速度 中等 最慢 最快
空间开销 少(有碎片，也就是内存区域不连续) 少(无碎片) 最多
移动对象 否 是 是

3.4、分代收集算法

​ 不同对象的存活时长不一致，就针对新生代、老年代采用不同的GC算法进行回收

​ 默认几乎所有的垃圾回收器都是采用分代收集算法进行垃圾回收的

  • 新生代中对象存活的时间比较短，那么就可以利用复制算法，它适用于垃圾对象比较多的情况下去进行回收，但是会产生一定的碎片
    老年代中存活时间比较长，所以不适用复制算法，可以使用标记清除或标记整理算法, 个人建议采用CMS垃圾回收算法，因为相对以下两个算法，标记清除算法比标记整理更为高效点，但是标记整理更为完美点(很慢)

  • CMS垃圾回收器采用的就是标记-清除算法

  • Serial Old垃圾回收器采用的就是标记-整理算法

3.5、GC参数设置

-XX:+PrintCommandLineFlags 查看使用的垃圾收集器

-XX:+UseSerialGC 指定使用Serial GC和Serial Old GC

-XX:+UseParNewGC 指定新时代使用ParNew GC

-XX:+UseConcMarkSweepGC 指定老年代使用CMS GC

-XX:+UseParallelGC 指定新生代使用Parallel GC

-XX:+UseParallelOldGC 指定老年代使用Parallel Old GC

GC详情图

详解CMS垃圾回收器

CMS整个垃圾收集过程更长了，但是STW的时间变短了，而且在垃圾回收过程中大部分时间用户线程都还在执行，所以用户不会出现短暂的延迟等，但是吞吐量变低了(单位时间内执行的用户线程更少了)

CMS分为几个阶段：

  • 初始标记阶段：

    • STW 暂停所有工作线程
    • 标记GC ROOTS能直接可达的对象
    • 一旦标记完，就恢复工作线程继续执行

  • 并发标记阶段：

    • 从初始阶段标记出的对象，开始遍历整个老年代，标记出所有的可达对象
    • 耗时比较长
    • 不需要STW，用户线程与垃圾收集线程一起执行
    • 三色标记

  • 重新标记阶段：

    • 上个阶段标记的对象，可能有误差，需要进行修正

    • 需要STW,但是时间也不是很长

    • 增量更新

    • 根据三色标记，重新标记对象

    • 比如在finally中将已定义为垃圾对象变成了可达性对象，重复利用，就需要重新标记

  • 并发清除阶段：

    • 删除垃圾对象
    • 由于不需要移动对象，这个阶段可以和用户线程一起执行，不需要STW

CMS总结

如果在并发标记、并发清楚的过程汇总，由于用户线程一直在执行，而工作线程也在同时工作，就可能产生，用户线程正在执行的时候，而工作线程也在回收垃圾对象，那么有新对象进入了老年代，但是空间也不够，那么就会导致“concurrent mode failure”，此时就会利用Serial Old来做一次垃圾收集，就会做一次全局的STW, 在并发清除的过程中，可能产生新的垃圾，这些垃圾统称为”浮动垃圾“，只能等到下一次GC时来处理

​ 由于采用的是标记-清除算法，所以会产生内存碎片，可以通过参数-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection可以让JVM在执行完标记-清除后再做一次整理，也可以通过-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction来指定多少次GC后来做处理，默认是0，表示每次GC后都会整理。

四、杂七杂八信息

对象创建过程

  • 类加载器检查
  • 分配内存（指针碰撞、空闲列表等方式）
  • 初始化“零值”, 基本类型是默认值0， 引用类型是null
  • 设置对象头（类实例、元数据信息、对象的哈希码、GC分代年龄）
  • 执行init，此方法是字节码自动生成的，是一个实例构造器
  • 对象栈上分配（对象创建后分配到堆的哪个位置，就需要经历逃逸分析最终决定）

对象栈上分配流程

  • 对象创建后会被分配到新生代 young gc中进行管理
  • 如果young gc也就是eden区放不下，就尝试放在survivor区
  • 如果survivor区也放不下，则放入到old区
  • 大对象直接放入old区（大对象的定义即超过新生代区域的50%以上）

为什么JVM放弃永久代而选择元空间

  • 内存限制：JVM加载的class总数，方法的大小很难确定，因此不好制定其大小
  • 降低了OOM：使用的是元空间存放在本地内存(上限较大)中的方式来替换永久代，这样可以降低OOM发生的可能性
  • 提升GC的性能：永久代是通过Full GC进行垃圾回收的，也就是和老年代同时实现垃圾回收，替换元空间简化了Full GC的过程，可以在不进行暂停的情况下并发的垃圾进行回收，提升了GC的性能
  • JRockit没有永久代：Oracle合并Hotspot和JRockit，而JRockit没有永久代

对象由什么组成？

  • 对象头（包含锁状态markword、GC分带年龄、线程持有锁、哈希码等等）
  • 实例数据
  • 对其填充

一个对象(一般16byte)组成，在排除很多字段的情况下

类加载的理解？

​ 类加载器是JAVA中的一种加载形式，在加载字节码到内存中时会使用双亲委派机制，使用递归的形式不断向尝试去加载父类的加载器，如果父类加载器为null，则调用本地方法，交由启动类加载器加载，所以说ExtClassLoader(加载jre/ext/lib/*.jar)的父类加载器为BootStrapClassLoader(jre/ext/lib/rt.jar)

JDK调优命令

  • jps 列出当前机器正在运行的进程

  • jinfo 查看或修改虚拟机参数

    • 栗子：jinfo -flags
      • -flag <name>：显示指定名称的 JVM 标志（flag）的值。
      • -flags：显示正在运行的 Java 进程的所有 JVM 标志的名称和值。
      • -sysprops：显示正在运行的 Java 进程的系统属性（System Properties）的名称和值。

  • jstat 监视虚拟机各种运行状态信息

    • 栗子：jstat [option] pid [interval [count]]

  • -class：显示类装载相关的统计信息，如装载数量、卸载数量、总装载类数等。

  • -gc：显示垃圾回收相关的统计信息，包括新生代和老年代的情况，如垃圾回收时间、吞吐量、堆大小等。

  • -gccapacity：显示垃圾回收堆的容量统计信息，包括新生代和老年代的容量、已使用空间、垃圾回收器标记等。

  • -gcutil：显示垃圾回收相关的统计信息，包括新生代和老年代的使用率、垃圾回收时间等。

  • -compiler：显示即时编译器相关的统计信息，如编译任务数量、编译耗时等。

  • jstack 生成虚拟机当前时刻线程快照
    • 栗子：jstack [option] pid
      • -l：除了堆栈信息外，显示关于锁的附加信息，包括每个线程等待的锁及锁的拥有者等信息。
      • -F：当 jstack 无法连接到 Java 进程时，强制输出线程堆栈信息。通常在进程卡死或无响应时使用。
      • -m：输出混合模式，显示 Java 和本地（C/C++）堆栈信息。
      • -h 或 --help：显示帮助信息，列出 jstack 的所有选项。
  • jmap 生成堆转储快照
    • 栗子：jmap [option] pid
      • -heap：显示 Java 进程的堆内存使用情况，包括堆大小、已使用内存、垃圾回收器信息等。
      • -histo[:live]：显示 Java 进程中各个类的实例数量和占用内存大小，如果指定了 live 参数，则只统计活动对象。
      • -dump:[live,]format=b,file=<filename>：生成 Java 进程的内存映像文件，如果指定了 live 参数，则只包含活动对象。format 参数指定输出文件的格式，可以是 b（二进制）或 hprof（Hprof 格式）。file 参数指定输出文件的路径和名称。

怎么确定一个对象是否可回收(是否是垃圾)？

  • 可达性分析 也就是是否是可达对象，如果可达则不可回收，反之为垃圾对象
  • 引用指向对象 是否有引用也就是指针指向这个对象

什么是运行时数据区？

  • 方法区
    • 方法区是各个线程共享的内存区域，在虚拟机启动时创建
    • 方法区描述为堆的一个逻辑部分
    • 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
    • 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
    • 需要CPU去调度线程，在这过程中还可能一直切换线程

栈帧结构与动态链接的作用是什么？

  • 局部变量表：保存方法的局部变量
  • 操作数栈：JVM使用一种基于栈的指令集，在执行运算时，实在操作数栈上执行
  • 动态链接：指向运行时常量池的引用
  • 方法返回地址：方法返回地址和附加信息

类的生命周期

  • 加载：编写.java文件、编译成.class文件
  • 连接
    • 验证：验证字节码文件是否可执行
    • 准备：准备基本数据类型初始化
    • 解析：字符引用解析成直接引用
  • 初始化：调用类的静态方法/new出来对象的时候就会进行初始化工作
  • 使用：使用对象操作
  • 卸载：被垃圾回收器回收

对象一定分配在堆上面吗？

​ 不一定的，也有可能分配在栈的，因为JDK有一个优化的手段是通过逃逸分析来减少内存堆分配的压力

什么是逃逸分析？

​ 逃逸分析是指分析指针动态范围的方法，它同编译器优化原理的指针分析与外形分析相关联，当变量（或者对象）在方法中分配后，其指针有可能被返回或被全局引用，这样就会被其他方法或者线程所引用，这种现象就称为指针（或者引用）的逃逸。

​ 通俗讲就是一个对象new出来后，它可能被外部所调用，如果是作为参数传递到外部了，就称之为方法逃逸。当方法逃逸了之后，就存储在堆中，反之存储在栈中！， 使用“ -xx: -DoEscapeAnalysis ” 的JVM参数将所有对象都存储在堆中
**

// 当外部调用此方法，并且返回了对象引用此方法就是逃逸，就称为方法逃逸，此对象就存储在堆中
public static User createUser() {
   User user = new User();
   user.setName("123");
   return user;
}

// 当外部调用此方法，未返回了对象引用此方法就是未逃逸，此对象就存储在栈中
public static String createUser() {
   User user = new User();
   user.setName("123");
   return user.toString();
}

public static void createUser() {
   User user = new User();
   user.setName("123");
}

逃逸分析优点：

  • 栈上分配：如果对象分配在栈上，随着方法出栈后，对象随着销毁。
  • 同步消除：线程同步本身是相对耗时的过程，如果逃逸分析能够确定一个变量不会逃逸出线程，无法被其他线程访问，那么这个变量的读写肯定就不会有竞争，对这个变量实施的同步措施也就可以安全的消除掉
  • 变量替换：如果是基本类型，不可拆分，那么就称之为标量，把一个JAVA对象拆散，将其用到的成员变量恢复到原始类型来访问，这个过程就称为标量替换，加入逃逸分析能够证明一个对象不会被方法外部访问，那么这个对象可以被拆散，那么可以不创建对象，直接用创建若干个成员变量来代替，可以让对象的成员变量在栈上分配和读写。

频繁出现minor gc怎么做？

​ 优化Minor GC频繁问题：由于新生代空间较小，Eden区很快被填满，就会导致频繁的Minor GC， 因此需要通过调大-Xmn分配的内存来降低Minor GC频率

# 1000 代表1秒钟打印一次
jstat -gc <进程号>  1000

问题排查思路

1、使用top命令获取到进程pid
2、根据printf '0x%x\n' <pid> 获取到对应的十六进制
3、根据jstack命令 <pid> ｜ grep pid的十六进制id -A 20 就可以看到对应的cpu飙高的代码行了

导出还在存活的文件的快照信息。
jmap -dump:live, file=/home/sdc/demo/file.hprof <pid>

标签：进阶,对象,回收,零到,GC,垃圾,JVM,线程,加载
From： https://www.cnblogs.com/curryAhui/p/18174656

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