JVM

发表 | 更新 | 分类 ， | 评论： | 热度：
本文字数： 9.7k | 阅读时长 ≈ 9 分钟

没有我灵魂，学习阶段复习使用，部分笔记源于《深入理解Java虚拟机》

jvm深入

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java虚拟机包括**一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。

Java虚拟机管理的内存将会分为以下几个运行时数据区域：

image.png

jvm.jpg

**

运行时数据区域

Java虚拟机管理的内存包括几个运行时数据内存：方法区、虚拟机栈、本地方法栈、堆、程序计数器，其中方法区和堆是由线程共享的数据区，其他几个是线程隔离的数据区

程序计数器

程序计数器是JVM内部的虚拟寄存器，功能与实际密码器类似；速度特别快；每个线程都有自己的程序计数器。

程序计数器是一块较小的内存，他可以看做是当前线程所执行的行号指示器。字节码解释器工作的时候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的指令，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。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Native方法，这个计数器则为空。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemotyError情况的区域

  • 特定线程的程序计数器
  • 包含JVM正在执行的指令的地址（如果是本地方法的话它的值则未定义）

Java虚拟机栈

每个线程拥有独立的栈；存放局部变量、对象引用、操作数栈、方法出口等；后进先出，被调方法结束后，对应栈区变量等立即销毁。

虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于储存局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法从调用直至完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

栈内存就是虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表的部分

局部变量表存放了编辑期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（refrence）类型和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类型的数据会占用两个局部变量空间，其余的数据类型只占用1个。

Java虚拟机规范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。如果虚拟机扩展时无法申请到足够的内存，就会跑出OutOfMemoryError异常

  • 和Java类中的方法密切相关
  • 它会存储局部变量以及方法调用的中间结果及返回值
  • Java中的每个线程都有自己专属的栈，这个栈是别的线程无法访问的。
  • 可以通过JVM选项-Xss来进行调整

本地方法栈

本地方法栈和虚拟机栈发挥的作用是非常类似的，他们的区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务

本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryErroy异常

Java堆

由所有线程共享；运行时动态申请的内存都在堆上分配，包括new的对象和数组；JDK8后，静态成员变量、常量池等也在堆中；与C不同，动态申请的内存不需要程序员回收，Java有自动垃圾回收机制。

堆是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，在虚拟机启动的时候创建，此内存区域的唯一目的是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。所有的对象实例和数组都在堆上分配

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。Java堆细分为新生代和老年代

不管怎样，划分的目的都是为了更好的回收内存，或者更快地分配内存

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。如果在堆中没有完成实例分配，并且堆也无法在扩展时将会抛出OutOfMemoryError异常

  • 你的Java程序中所分配的每一个对象都需要存储在内存里。堆是这些实例化的对象所存储的地方。是的——都怪new操作符，是它把你的Java堆都占满了的！
  • 它由所有线程共享
  • 当堆耗尽的时候，JVM会抛出java.lang.OutOfMemoryError 异常
  • 堆的大小可以通过JVM选项-Xms和-Xmx来进行调整

堆被分为：

  • Eden区 —— 新对象或者生命周期很短的对象会存储在这个区域中，这个区的大小可以通过-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize参数来调整。新生代GC（垃圾回收器）会清理这一区域。
  • Survivor区 —— 那些历经了Eden区的垃圾回收仍能存活下来的依旧存在引用的对象会待在这个区域。这个区的大小可以由JVM参数-XX:SurvivorRatio来进行调节。
  • 老年代 —— 那些在历经了Eden区和Survivor区的多次GC后仍然存活下来的对象（当然了，是拜那些挥之不去的引用所赐）会存储在这个区里。这个区会由一个特殊的垃圾回收器来负责。年老代中的对象的回收是由老年代的GC（major GC）来进行的。

JVM8中把运行时常量池、静态变量也移到堆区进行存储。堆区被细化可以分为年轻代、老年代，而年轻代又可分为Eden区、From Survivor、To Survivor三个区域，比例是8:1:1。

方法区

JDK8之前，由永久代实现，主要存放类的信息、常量池、方法数据、方法代码等；JDK8之后，取消了永久代，提出了元空间，并且常量池、静态成员变量等迁移到了堆中；元空间不在虚拟机内存中，而是放在本地内存中

方法区它用于储存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

除了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。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

当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryErroy异常

  • 也被称为非堆区域（在HotSpot JVM的实现当中）
  • 它被分为两个主要的子区域
    • 持久代 —— 这个区域会 存储包括类定义，结构，字段，方法（数据及代码）以及常量在内的类相关数据。它可以通过-XX:PermSize及 -XX:MaxPermSize来进行调节。如果它的空间用完了，会导致java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space的异常。在1.8中被移除
    • 代码缓存——这个缓存区域是用来存储编译后的代码。编译后的代码就是本地代码（硬件相关的），它是由JIT（Just In Time)编译器生成的，这个编译器是Oracle HotSpot JVM所特有的。

运行时常量池

它是方法区的一部分。Class文件中除了有关的版本、字段、方法、接口等描述信息外、还有一项信息是常量池，用于存放编辑期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放

Java语言并不要求常量一定只有编辑期才能产生，也就是可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法

当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常

方法区主要是存储类的元数据的，如虚拟机加载的类信息、编译后的代码等。JDK8之前方法区的实现是被称为一种“永久代”的区域，这部分区域使用JVM内存，但是JDK8的时候便移除了“永久代（Per Gen）”，转而使用“元空间（MetaSpace）”的实现，而且很大的不同就是元空间不在共用JVM内存，而是使用的系统内存。

为什么转换成元数据

  1. 字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。

  2. 类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易导致老年代溢出。

  3. 永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。

  4. Oracle 可能会将HotSpot 与 JRockit 合二为一。

元空间 —— 快速入门

  • 它是本地堆内存中的一部分
  • 它可以通过-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize来进行调整
  • 当到达XX:MetaspaceSize所指定的阈值后会开始进行清理该区域
  • 如果本地空间的内存用尽了会收到java.lang.OutOfMemoryError: Metadata space的错误信息。
  • 和持久代相关的JVM参数-XX:PermSize及-XX:MaxPermSize将会被忽略掉，并且在启动的时候给出警告信息。
  • 充分利用了Java语言规范中的好处：类及相关的元数据的生命周期与类加载器的一致

元空间 —— 内存分配模型

  • 绝大多数的类元数据的空间都从本地内存中分配
  • 用来描述类元数据的类也被删除了，分元数据分配了多个虚拟内存空间
  • 给每个类加载器分配一个内存块的列表，只进行线性分配。块的大小取决于类加载器的类型， sun/反射/代理对应的类加载器的块会小一些。
  • 不会单独回收某个类，如果GC发现某个类加载器不再存活了，会把相关的空间整个回收掉。这样减少了碎片，并节省GC扫描和压缩的时间。

元空间 —— 调优

  • 使用-XX:MaxMetaspaceSize参数可以设置元空间的最大值，默认是没有上限的，也就是说你的系统内存上限是多少它就是多少。
  • 使用-XX:MetaspaceSize选项指定的是元空间的初始大小，如果没有指定的话，元空间会根据应用程序运行时的需要动态地调整大小。
  • 一旦类元数据的使用量达到了“MaxMetaspaceSize”指定的值，对于无用的类和类加载器，垃圾收集此时会触发。为了控制这种垃圾收集的频率和延迟，合适的监控和调整Metaspace非常有必要。过于频繁的Metaspace垃圾收集是类和类加载器发生内存泄露的征兆，同时也说明你的应用程序内存大小不合适，需要调整。

类的加载过程

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸载(Unloading)7个阶段。其中准备、验证、解析3个部分统称为连接（Linking）。如图所示。

JVM1.png

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）。以下陈述的内容都已HotSpot为基准。

加载

在加载阶段（可以参考java.lang.ClassLoader的loadClass()方法），虚拟机需要完成以下3件事情：

  1. 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流（并没有指明要从一个Class文件中获取，可以从其他渠道，譬如：网络、动态生成、数据库等）；
  2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构；
  3. 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口；

加载阶段和连接阶段（Linking）的部分内容（如一部分字节码文件格式验证动作）是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的内容，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。
验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

  1. 文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以魔术0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。
  2. 元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外。
  3. 字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。
  4. 符号引用验证：确保解析动作能正确执行。

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。这时候进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的变量），而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在堆中。其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为：

1
public static int value=123;

那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123.因为这时候尚未开始执行任何java方法，而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器()方法之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。

至于“特殊情况”是指：public static final int value=123，即当类字段的字段属性是ConstantValue时，会在准备阶段初始化为指定的值，所以标注为final之后，value的值在准备阶段初始化为123而非0.

解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。

初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的java程序代码。在准备极端，变量已经付过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序猿通过程序制定的主管计划去初始化类变量和其他资源，或者说：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程.

虚拟机规范严格规定了有且只有5中情况（jdk1.7）必须对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

  1. 遇到new,getstatic,putstatic,invokestatic这失调字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。
  2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
  3. 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
  4. 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。
  5. 当使用jdk1.7动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getstatic,REF_putstatic,REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行初始化，则需要先出触发其初始化。
    （引用深入java虚拟机）

一个实例变量在对象初始化的过程中会被赋值几次？

　　我们知道，JVM在为一个对象分配完内存之后，会给每一个实例变量赋予默认值，这个时候实例变量被第一次赋值，这个赋值过程是没有办法避免的。如果我们在声明实例变量x的同时对其进行了赋值操作，那么这个时候，这个实例变量就被第二次赋值了。如果我们在实例代码块中，又对变量x做了初始化操作，那么这个时候，这个实例变量就被第三次赋值了。如果我们在构造函数中，也对变量x做了初始化操作，那么这个时候，变量x就被第四次赋值。也就是说，在Java的对象初始化过程中，一个实例变量最多可以被初始化4次。

类的初始化过程与类的实例化过程的异同？

　　类的初始化是指类加载过程中的初始化阶段对类变量按照程序猿的意图进行赋值的过程；而类的实例化是指在类完全加载到内存中后创建对象的过程。

类实例化的一般过程是：父类的类构造器() -> 子类的类构造器() -> 父类的成员变量和实例代码块 -> 父类的构造函数 -> 子类的成员变量和实例代码块 -> 子类的构造函数

java对象创建过程

当一个对象被创建时，虚拟机就会为其分配内存来存放对象自己的实例变量及其从父类继承过来的实例变量(即使这些从超类继承过来的实例变量有可能被隐藏也会被分配空间)。在为这些实例变量分配内存的同时，这些实例变量也会被赋予默认值(零值)。在内存分配完成之后，Java虚拟机就会开始对新创建的对象按照程序猿的意志进行初始化。在Java对象初始化过程中，主要涉及三种执行对象初始化的结构，分别是 实例变量初始化、实例代码块初始化 以及 构造函数初始化。

具体实例

  1. 由于是要创建类对象，java虚拟机（JVM）先去找.class文件，如果有的话，将其加载到内存。
  2. 将类型信息（包括静态变量，方法等）加载进方法区。
  3. 执行该类中static代码块，如果有的话，对class类进行初始化。（此时输出‘这是person类的静态代码块’）
  4. 到这时才进行堆内存空间的开辟，并为对象分配首地址。
  5. 在堆内存中建立对象的成员属性，并对其进行初始化（先进行默认初始化再进行显示初始化。（此时输出 ‘这是一个测试的类’）
  6. 进行构造代码块的初始化，由此看出构造代码库初始化的优先级要高于对象构造函数的初始化。 （此时输出 ‘这是person的构造代码块’）

  7. 对象的构造函数进行初始化。（此时输出 ‘这是person的构造函数’）；

  8. 将堆内存中的地址赋给栈内存中的p变量。

总体概括

  1. 类加载检查，虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引用（以一组符号来描述所引用的目标，只要能无歧义地定位到目标即可），并检查这个符号引用代表的类是否以背加载过、解析和初始化过，如果没有，那就必须先执行相应的类加载过程。

  2. 分配内存： 在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。分配方式有 “指针碰撞” 和 “空闲列表” 两种，选择那种分配方式由 Java 堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

    内存分配的两种方式：

    选择以上两种方式中的哪一种，取决于 Java 堆内存是否规整。而 Java 堆内存是否规整，取决于 GC 收集器的算法是”标记-清除”，还是”标记-整理”（也称作”标记-压缩”），值得注意的是，复制算法内存也是规整的

    jvm2.jpg

    内存分配并发问题

    在创建对象的时候有一个很重要的问题，就是线程安全，因为在实际开发过程中，创建对象是很频繁的事情，作为虚拟机来说，必须要保证线程是安全的，通常来讲，虚拟机采用两种方式来保证线程安全：

    • CAS+失败重试： CAS 是乐观锁的一种实现方式。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。虚拟机采用 CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。

    • TLAB： 为每一个线程预先在Eden区分配一块儿内存，JVM在给线程中的对象分配内存时，首先在TLAB分配，当对象大于TLAB中的剩余内存或TLAB的内存已用尽时，再采用上述的CAS进行内存分配

  3. 初始化零值： 内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），这一步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

  4. 设置对象头： 初始化零值完成之后，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是那个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希吗、对象的 GC 分代年龄等信息。 这些信息存放在对象头中。 另外，根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

  5. 执行 init 方法： 在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从 Java 程序的视角来看，对象创建才刚开始，<init> 方法还没有执行，所有的字段都还为零。所以一般来说，执行 new 指令之后会接着执行 <init> 方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

对象的访问定位

建立对象就是为了使用对象，我们的Java程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式有虚拟机实现而定，目前主流的访问方式有①使用句柄和②直接指针两种：

  1. 句柄： 如果使用句柄的话，那么Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference 中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息； jvm3.jpg
  2. 直接指针： 如果使用直接指针访问，那么 Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference 中存储的直接就是对象的地址。

jvm4.jpg

这两种对象访问方式各有优势。使用句柄来访问的最大好处是 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference 本身不需要修改。使用直接指针访问方式最大的好处就是速度快，它节省了一次指针定位的时间开销。

Java类加载双亲委派机制

  1. JVM预定义的三种类型类加载器：

    • 启动（Bootstrap）类加载器：是用本地代码实现的类装入器，它负责将 <Java_Runtime_Home>/lib下面的类库加载到内存中（比如rt.jar）。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节，开发者无法直接获取到启动类加载器的引用，所以不允许直接通过引用进行操作。
    • 标准扩展（Extension）类加载器：是由 Sun 的 ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）实现的。它负责将< Java_Runtime_Home >/lib/ext或者由系统变量 java.ext.dir指定位置中的类库加载到内存中。开发者可以直接使用标准扩展类加载器。
    • 系统（System）类加载器：是由 Sun 的 AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）实现的。它负责将系统类路径（CLASSPATH）中指定的类库加载到内存中。开发者可以直接使用系统类加载器。

    除了以上列举的三种类加载器，还有一种比较特殊的类型 — 线程上下文类加载器。

  2. 双亲委派机制描述
    某个特定的类加载器在接到加载类的请求时，首先将加载任务委托给父类加载器，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父类加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载。

------------- 感谢阅读-------------