java虚拟机学习-慢慢琢磨JVM(2)

时间 2019-11-22

标签 java 虚拟机学习慢慢琢磨 jvm 栏目 Java 繁體版

原文原文链接

 
  java虚拟机学习-深刻理解JVM(1) 
 

 
  java虚拟机学习-慢慢琢磨JVM(2) 
 

 
  java虚拟机学习-慢慢琢磨JVM(2-1)ClassLoader的工做机制 
 

 
  java虚拟机学习-JVM内存管理：深刻Java内存区域与OOM(3) 
 

 
  java虚拟机学习-JVM内存管理：深刻垃圾收集器与内存分配策略(4) 
 

 
  java虚拟机学习-JVM调优总结（5） 
 

 
  java虚拟机学习-JVM调优总结（6） 
 

 
  java虚拟机学习-JVM调优总结-基本垃圾回收算法（7） 
 

 
  java虚拟机学习-JVM调优总结-垃圾回收面临的问题（8） 
 

 
  java虚拟机学习-JVM调优总结-分代垃圾回收详述（9） 
 

 
  java虚拟机学习-JVM调优总结-典型配置举例（10） 
 

 
  java虚拟机学习-JVM调优总结-新一代的垃圾回收算法(11) 
 

 
  java虚拟机学习-JVM调优总结-调优方法(12) 
 

1 JVM简介

　　JVM是咱们Javaer的最基本功底了，刚开始学Java的时候，通常都是从“Hello World”开始的，而后会写个复杂点class，而后再找一些开源框架，好比Spring，Hibernate等等，再而后就开发企业级的应用，好比网站、企业内部应用、实时交易系统等等，直到某一天忽然发现作的系统咋就这么慢呢，并且时不时还来个内存溢出什么的，今天是交易系统报了StackOverflowError，明天是网站系统报了个OutOfMemoryError，这种错误又很难重现，只有分析Javacore和dump文件，运气好点还能分析出个结果，运行遭的点，就直接去庙里烧香吧！天天接客户的电话都是战战兢兢的，生怕再出什么幺蛾子了。我想Java作的久一点的都有这样的经历，那这些问题的最终根结是在哪呢？—— JVM。html

　　JVM全称是Java Virtual Machine，Java虚拟机，也就是在计算机上再虚拟一个计算机，这和咱们使用 VMWare不同，那个虚拟的东西你是能够看到的，这个JVM你是看不到的，它存在内存中。咱们知道计算机的基本构成是：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备，那这个JVM也是有这成套的元素，运算器是固然是交给硬件CPU还处理了，只是为了适应“一次编译，随处运行”的状况，须要作一个翻译动做，因而就用了JVM本身的命令集，这与汇编的命令集有点相似，每一种汇编命令集针对一个系列的CPU，好比8086系列的汇编也是能够用在8088上的，可是就不能跑在8051上，而JVM的命令集则是能够处处运行的，由于JVM作了翻译，根据不一样的CPU，翻译成不一样的机器语言。java

　　JVM中咱们最须要深刻理解的就是它的存储部分，存储？硬盘？NO，NO， JVM是一个内存中的虚拟机，那它的存储就是内存了，咱们写的全部类、常量、变量、方法都在内存中，这决定着咱们程序运行的是否健壮、是否高效，接下来的部分就是重点介绍之。程序员

2 JVM的组成部分

咱们先把JVM这个虚拟机画出来，以下图所示：算法

从这个图中能够看到，JVM是运行在操做系统之上的，它与硬件没有直接的交互。咱们再来看下JVM有哪些组成部分，以下图所示：编程

该图参考了网上广为流传的JVM构成图，你们看这个图，整个JVM分为四部分：安全

1. Class Loader 类加载器网络

类加载器的做用是加载类文件到内存，好比编写一个HelloWord.java程序，而后经过javac编译成class文件，那怎么才能加载到内存中被执行呢？Class Loader承担的就是这个责任，那不可能随便创建一个.class文件就能被加载的，Class Loader加载的class文件是有格式要求，在《JVM Specification》中式这样定义Class文件的结构：框架

    ClassFile {

      u4 magic;

      u2 minor_version;

      u2 major_version;

      u2 constant_pool_count;

      cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];

      u2 access_flags;

      u2 this_class;

      u2 super_class;

      u2 interfaces_count;

      u2 interfaces[interfaces_count];

      u2 fields_count;

      field_info fields[fields_count];

      u2 methods_count;

      method_info methods[methods_count];

      u2 attributes_count;

      attribute_info attributes[attributes_count];

    }

须要详细了解的话，能够仔细阅读《JVM Specification》的第四章“The class File Format”，这里再也不详细说明。jvm

友情提示：Class Loader只管加载，只要符合文件结构就加载，至于说能不能运行，则不是它负责的，那是由Execution Engine负责的。编程语言

2. Execution Engine 执行引擎

执行引擎也叫作解释器(Interpreter)，负责解释命令，提交操做系统执行。

3.Native Interface本地接口

本地接口的做用是融合不一样的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序，Java诞生的时候是C/C++横行的时候，要想立足，必须有一个聪明的、睿智的调用C/C++程序，因而就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native的代码，它的具体作法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载native libraies。目前该方法使用的是愈来愈少了，除非是与硬件有关的应用，好比经过Java程序驱动打印机，或者Java系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见，由于如今的异构领域间的通讯很发达，好比可使用Socket通讯，也可使用Web Service等等，很少作介绍。

4. Runtime data area运行数据区

运行数据区是整个JVM的重点。咱们全部写的程序都被加载到这里，以后才开始运行，Java生态系统如此的繁荣，得益于该区域的优良自治，下一章节详细介绍之。

小总结

整个JVM框架由加载器加载文件，而后执行器在内存中处理数据，须要与异构系统交互是能够经过本地接口进行，瞧，一个完整的系统诞生了！

3 JVM的内存管理

全部的数据和程序都是在运行数据区存放，它包括如下几部分：

1.Stack 栈

栈也叫栈内存，是Java程序的运行区，是在线程建立时建立，它的生命期是跟随线程的生命期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来讲不存在垃圾回收问题，只要线程一结束，该栈就Over。问题出来了：栈中存的是那些数据呢？又什么是格式呢？

栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在，栈帧是一个内存区块，是一个数据集，是一个有关方法(Method)和运行期数据的数据集，当一个方法A被调用时就产生了一个栈帧F1，并被压入到栈中，A方法又调用了B方法，因而产生栈帧F2也被压入栈，执行完毕后，先弹出F2栈帧，再弹出F1栈帧，遵循“先进后出”原则。

那栈帧中到底存在着什么数据呢？栈帧中主要保存3类数据：本地变量（Local Variables），包括输入参数和输出参数以及方法内的变量；栈操做（Operand Stack），记录出栈、入栈的操做；栈帧数据（Frame Data），包括类文件、方法等等。光说比较枯燥，咱们画个图来理解一下Java栈，以下图所示：

图示在一个栈中有两个栈帧，栈帧2是最早被调用的方法，先入栈，而后方法2又调用了方法1，栈帧1处于栈顶的位置，栈帧2处于栈底，执行完毕后，依次弹出栈帧1和栈帧2，线程结束，栈释放。

2 Heap 堆内存

一个JVM实例只存在一个堆类存，堆内存的大小是能够调节的。类加载器读取了类文件后，须要把类、方法、常变量放到堆内存中，以方便执行器执行，堆内存分为三部分：

Permanent Space 永久存储区

永久存储区是一个常驻内存区域，用于存放JDK自身所携带的Class,Interface的元数据，也就是说它存储的是运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭JVM才会释放此区域所占用的内存。

Young Generation Space 新生区

新生区是类的诞生、成长、消亡的区域，一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。新生区又分为两部分：伊甸区（Eden space）和幸存者区（Survivor pace），全部的类都是在伊甸区被new出来的。幸存区有两个： 0区（Survivor 0 space）和1区（Survivor 1 space）。

0区（from区）

当伊甸园的空间用完时，程序又须要建立对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收，将伊甸园区中的再也不被其余对象所引用的对象进行销毁。而后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存0区。若幸存0区也满了，再对该区进行垃圾回收，而后移动到1区。那若是1区也满了呢？再移动到养老区。

1区（to区）

  当Eden区空间已满， 就触发一次Young GC（ Garbage Collection，垃圾回收） ， 将还被使用的对象复制到 
 0（from）区， 这样整个Eden区都是 

  未被使用的空间， 可供继续建立对象，当Eden区再次用完， 再触发一次Young GC， 将 
 Eden区和0区还在被使用的对象复制到1（To）区，下一次Young GC则是将Eden区和1（To）区还被使用的对象复制到0（from） 
 区，所以，通过屡次Young GC， 某些对象会在0（From）区和1（To）区屡次复制， 
 若是超过某个阈值对象还未被释放， 则将该对象复制到Old Generation。 若是OldGeneration空间也已用完， 那么就会触发Full GC， 即所谓的全量回收，全量回收会对系统性能产生较大影响， 所以应根据系统业务特色和对象生命周期， 合理设置Young Generation和Old Generation大小， 尽可能减小Full GC。 事实上， 某些Web应用在整个运行期间能够作到从不进行FullGC 

0区1区==1区2区=from区to区，概念定义不一样，意思同样

Tenure generation space养老区

养老区用于保存重新生区筛选出来的JAVA对象，通常池对象都在这个区域活跃。三个区的示意图以下：

3 Method Area 方法区

方法区是被全部线程共享，该区域保存全部字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在此定义。

一些常量、静态变量、类信息等，能够理解成class文件在内存中的存放位置

一、又叫静态区，跟堆同样，被全部的线程共享。方法区包含全部的class和static变量；

二、方法区中包含的都是在程序中永远的惟一的元素

4 PC Register 程序计数器

每一个线程都有一个程序计数器，就是一个指针，指向方法区中的方法字节码，由执行引擎读取下一条指令。

5 Native Method Stack 本地方法栈

4 JVM相关问题

问：堆和栈有什么区别

答：堆是存放对象的，可是对象内的临时变量是存在栈内存中，如例子中的methodVar是在运行期存放到栈中的。

栈是跟随线程的，有线程就有栈，堆是跟随JVM的，有JVM就有堆内存。

问：堆内存中到底存在着什么东西？

答：对象，包括对象变量以及对象方法。

问：类变量和实例变量有什么区别？

答：静态变量是类变量，非静态变量是实例变量，直白的说，有static修饰的变量是静态变量，没有static修饰的变量是实例变量。

问：我据说类变量是在JVM启动时就初始化好的，和你这说的不一样呀！

答：那你是道听途说，信个人，没错。

问：Java的方法（函数）究竟是传值仍是传址？

答：都不是，是以传值的方式传递地址，具体的说原生数据类型传递的值，引用类型传递的地址。对于原始数据类型，JVM的处理方法是从Method Area或Heap中拷贝到Stack，而后运行frame中的方法，运行完毕后再把变量指拷贝回去。

问：为何会产生OutOfMemory产生？

答：一句话：Heap内存中没有足够的可用内存了。这句话要好好理解，不是说Heap没有内存了，是说新申请内存的对象大于Heap空闲内存，好比如今Heap还空闲1M，可是新申请的内存须要1.1M，因而就会报OutOfMemory了，可能之后的对象申请的内存都只要0.9M，因而就只出现一次OutOfMemory，GC也正常了，看起来像偶发事件，就是这么回事。但若是此时GC没有回收就会产生挂起状况，系统不响应了。

问：我产生的对象很少呀，为何还会产生OutOfMemory？

答：你继承层次忒多了，Heap中产生的对象是先产生父类，而后才产生子类，明白不？

问：OutOfMemory错误分几种？

答：分两种，分别是“OutOfMemoryError:java heap size”和”OutOfMemoryError: PermGen space”，两种都是内存溢出，heap size是说申请不到新的内存了，这个很常见，检查应用或调整堆内存大小。

“PermGen space”是由于永久存储区满了，这个也很常见，通常在热发布的环境中出现，是由于每次发布应用系统都不重启，长此以往永久存储区中的死对象太多致使新对象没法申请内存，通常从新启动一下便可。

问：为何会产生StackOverflowError？

答：由于一个线程把Stack内存所有耗尽了，通常是递归函数形成的。

问：一个机器上能够看多个JVM吗？JVM之间能够互访吗？

答：能够多个JVM，只要机器承受得了。JVM之间是不能够互访，你不能在A-JVM中访问B-JVM的Heap内存，这是不可能的。在之前老版本的JVM中，会出现A-JVM Crack后影响到B-JVM，如今版本很是少见。

问：为何Java要采用垃圾回收机制，而不采用C/C++的显式内存管理？

答：为了简单，内存管理不是每一个程序员都能折腾好的。

问：为何你没有详细介绍垃圾回收机制？

答：垃圾回收机制每一个JVM都不一样，JVM Specification只是定义了要自动释放内存，也就是说它只定义了垃圾回收的抽象方法，具体怎么实现各个厂商都不一样，算法各异，这东西实在不必深刻。

问：JVM中到底哪些区域是共享的？哪些是私有的？

答：Heap和Method Area是共享的，其余都是私有的，

问：什么是JIT，你怎么没说？

答：JIT是指Just In Time，有的文档把JIT做为JVM的一个部件来介绍，有的是做为执行引擎的一部分来介绍，这都能理解。Java刚诞生的时候是一个解释性语言，别嘘，即便编译成了字节码（byte code）也是针对JVM的，它须要再次翻译成原生代码(native code)才能被机器执行，因而效率的担心就提出来了。Sun为了解决该问题提出了一套新的机制，好，你想编译成原生代码，没问题，我在JVM上提供一个工具，把字节码编译成原生码，下次你来访问的时候直接访问原生码就成了，因而JIT就诞生了，就这么回事。

问：JVM还有哪些部分是你没有提到的？

答：JVM是一个异常复杂的东西，写一本砖头书都不为过，还有几个要说明的：

常量池（constant pool）：按照顺序存放程序中的常量，而且进行索引编号的区域。好比int i =100，这个100就放在常量池中。

Java中的常量池，实际上分为两种形态：静态常量池和运行时常量池。

所谓静态常量池，即*.class文件中的常量池，class文件中的常量池不只仅包含字符串(数字)字面量，还包含类、方法的信息，占用class文件绝大部分空间。

而运行时常量池，则是jvm虚拟机在完成类装载操做后，将class文件中的常量池载入到内存中，并保存在方法区中，咱们常说的常量池，就是指方法区中的运行时常量

安全管理器（Security Manager）：提供Java运行期的安全控制，防止恶意攻击，好比指定读取文件，写入文件权限，网络访问，建立进程等等，Class Loader在Security Manager认证经过后才能加载class文件的。

方法索引表（Methods table），记录的是每一个method的地址信息，Stack和Heap中的地址指针实际上是指向Methods table地址。

问：为何不建议在程序中显式的生命System.gc()？

答：由于显式声明是作堆内存全扫描，也就是Full GC，是须要中止全部的活动的（Stop The World Collection），你的应用能承受这个吗？

问：JVM有哪些调整参数？

答：很是多，本身去找，堆内存、栈内存的大小均可以定义，甚至是堆内存的三个部分、新生代的各个比例都能调整。