學習JVM(java虛擬機)

1.什么是JVM？

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現(xiàn)的。由一套字節(jié)碼指令集、一組寄存器、一個棧、一個垃圾回收堆和一個存儲方法域等組成。JVM屏蔽了與操作系統(tǒng)平臺相關的信息，使得Java程序只需要生成在Java虛擬機上運行的目標代碼（字節(jié)碼），就可在多種平臺上不加修改的運行，這也是Java能夠“一次編譯，到處運行的”原因。

2.JRE、JDK和JVM的關系

  • JRE（Java Runtime Environment， Java運行環(huán)境）是Java平臺，所有的程序都要在JRE下才能夠運行。包括JVM和Java核心類庫和支持文件。
  • JDK（Java Development Kit，Java開發(fā)工具包）是用來編譯、調(diào)試Java程序的開發(fā)工具包。包括Java工具（javac/java/jdb等）和Java基礎的類庫（java API)
  • JVM（Java Virtual Machine， Java虛擬機）是JRE的一部分。JVM主要工作是解釋自己的指令集（即字節(jié)碼）并映射到本地的CPU指令集和OS(操作系統(tǒng))的系統(tǒng)調(diào)用。Java語言是跨平臺運行的，不同的操作系統(tǒng)會有不同的JVM映射規(guī)則，使之與操作系統(tǒng)無關，完成跨平臺性。

3.java 體系結構介紹

jvm體系總體分四大塊：

  • 類的加載機制
  • jvm內(nèi)存結構
  • GC算法 垃圾回收
  • GC分析 命令調(diào)優(yōu)

①jvm體系之-類的加載機制

  • 什么是類的加載？
    類的加載指的是將類的.class文件中的二進制數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中，將其放在運行時數(shù)據(jù)區(qū)的方法區(qū)內(nèi)，然后在堆區(qū)創(chuàng)建一個java.lang.Class對象，用來封裝類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結構。類的加載的最終產(chǎn)品是位于堆區(qū)中的Class對象，Class對象封裝了類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結構，并且向Java程序員提供了訪問方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結構的接口。
  • 加載類的過程。

（1）裝載（loading）

負責找到二進制字節(jié)碼并加載至JVM中，JVM通過類名、類所在的包名、ClassLoader完成類的加載。
因此，標識一個被加載了的類：類名 + 包名 + ClassLoader實例ID。

（2）鏈接（linking）

負責對二進制字節(jié)碼的格式進行校驗、初始化裝載類中的靜態(tài)變量以及解析類中調(diào)用的接口。
鏈接又包含三塊內(nèi)容：驗證、準備、初始化。
    1）驗證，文件格式、元數(shù)據(jù)、字節(jié)碼、符號引用驗證；
    2）準備，為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存，并將其初始化為默認值；
    3）解析，把類中的符號引用轉換為直接引用

（3）初始化（initializing）

負責執(zhí)行類中的靜態(tài)初始化代碼、構造器代碼以及靜態(tài)屬性的初始化，以下六種情況初始化過程會被觸發(fā)。
    1. 創(chuàng)建類的實例，也就是new的方式
    2.訪問某個類或接口的靜態(tài)變量，或者對該靜態(tài)變量賦值
    3.調(diào)用類的靜態(tài)方法
    4.反射（如Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”)）
    5.初始化某個類的子類，則其父類也會被初始化
    6.Java虛擬機啟動時被標明為啟動類的類（Java Test),直接使用java.exe命令來運行某個主類
  • 類加載器
    站在Java開發(fā)人員的角度來看，類加載器可以大致劃分為以下三類：

(1).啟動類加載器：Bootstrap ClassLoader

負責加載存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安裝目錄，下同)下，
或被-Xbootclasspath參數(shù)指定的路徑中的
并且能被虛擬機識別的類庫（如rt.jar，所有的java.開頭的類均被Bootstrap ClassLoader加載）。
啟動類加載器是無法被Java程序直接引用的。

(2).擴展類加載器：Extension ClassLoader

該加載器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實現(xiàn)，
它負責加載JDK\jre\lib\ext目錄中，或者由java.ext.dirs系統(tǒng)變量指定的路徑中的所有類庫（如javax.開頭的類），
開發(fā)者可以直接使用擴展類加載器。

(3).應用程序類加載器：Application ClassLoader

該類加載器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader來實現(xiàn)，
它負責加載用戶類路徑（ClassPath）所指定的類，開發(fā)者可以直接使用該類加載器，
如果應用程序中沒有自定義過自己的類加載器，一般情況下這個就是程序中默認的類加載器。

應用程序都是由這三種類加載器互相配合進行加載的，如果有必要，我們還可以加入自定義的類加載器。因為JVM自帶的ClassLoader只是懂得從本地文件系統(tǒng)加載標準的java class文件，因此如果編寫了自己的ClassLoader，便可以做到如下幾點：
1、在執(zhí)行非置信代碼之前，自動驗證數(shù)字簽名。
2、動態(tài)地創(chuàng)建符合用戶特定需要的定制化構建類。
3、從特定的場所取得java class，例如數(shù)據(jù)庫中和網(wǎng)絡中。

  • 雙親委托模式當類加載器收到了類加載的請求
    當JVM加載一個類的時候，下層的加載器會將任務給上一層類加載器，上一層加載檢查它的命名空間中是否已經(jīng)加載這個類，如果已經(jīng)加載，直接使用這個類。如果沒有加載，繼續(xù)往上委托直到頂部。檢查之后，按照相反的順序進行加載。如果Bootstrap加載器不到這個類，則往下委托，直到找到這個類。一個類可以被不同的類加載器加載。
    雙親委派機制: 
1、當AppClassLoader加載一個class時，它首先不會自己去嘗試加載這個類，
而是把類加載請求委派給父類加載器`ExtClassLoader`去完成。
2、當ExtClassLoader加載一個class時，它首先也不會自己去嘗試加載這個類，
而是把類加載請求委派給`BootStrapClassLoader`去完成。
3、如果BootStrapClassLoader加載失敗（例如在$JAVA_HOME/jre/lib里未查找到該class），
會使用`ExtClassLoader`來嘗試加載；
4、若ExtClassLoader也加載失敗，則會使用AppClassLoader來加載，
如果 `AppClassLoader`也加載失敗，則會報出異常ClassNotFoundException。

雙親委派模型意義：

系統(tǒng)類防止內(nèi)存中出現(xiàn)多份同樣的字節(jié)碼
保證Java程序安全穩(wěn)定運行
可見性限制：下層的加載器能夠看到上層加載器中的類，反之則不行，委派只能從下到上。
不允許卸載類：類加載器可以加載一個類，但不能夠卸載一個類。但是類加載器可以被創(chuàng)建或者刪除。

②jvm體系之-jvm內(nèi)存結構

根據(jù)《Java 虛擬機規(guī)范(Java SE 7 版)》規(guī)定，Java 虛擬機所管理的內(nèi)存如下圖所示。


方法區(qū)和堆是所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域；
而java棧、本地方法棧和程序員計數(shù)器是運行是線程私有的內(nèi)存區(qū)域。

詳細介紹每個區(qū)域的作用
  • JAVA堆

對于大多數(shù)應用來說，Java堆（Java Heap）是Java虛擬機所管理的內(nèi)存中\color{red}{最大}的一塊。Java堆是被所有線程\color{red}{共享}的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機\color{red}{啟動時創(chuàng)建}。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是\color{red}{存放對象實例}，幾乎所有的對象實例都在這里分配內(nèi)存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時候也被稱做\color{red}{“GC堆”}。如果從內(nèi)存回收的角度看，由于現(xiàn)在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中還可以細分為：新生代和老年代；再細致一點的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。

根據(jù)Java虛擬機規(guī)范的規(guī)定，Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實現(xiàn)時，既可以實現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現(xiàn)的（通過-Xmx和-Xms控制）。

如果在堆中沒有內(nèi)存完成實例分配，并且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。

  • 方法區(qū)

方法區(qū)（Method Area）與Java堆一樣，是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼}等數(shù)據(jù)。雖然Java虛擬機規(guī)范把方法區(qū)描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫做Non-Heap（非堆），目的應該是與Java堆區(qū)分開來。

java7之前，方法區(qū)位于永久代(PermGen)，永久代和堆相互隔離，永久代的大小在啟動JVM時可以設置一個固定值，不可變；

java7中，存儲在永久代的部分數(shù)據(jù)就已經(jīng)轉移到Java Heap或者Native memory。但永久代仍存在于JDK 1.7中，并沒有完全移除，譬如符號引用(Symbols)轉移到了native memory；字符串常量池(interned strings)轉移到了Java heap；類的靜態(tài)變量(class statics)轉移到了Java heap。

java8中，取消永久代，方法存放于元空間(Metaspace)，元空間仍然與堆不相連，但與堆共享物理內(nèi)存，邏輯上可認為在堆中

根據(jù)Java虛擬機規(guī)范的規(guī)定，當方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。

  • 程序計數(shù)器

程序計數(shù)器（Program Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用可以看做是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型里（僅是概念模型，各種虛擬機可能會通過一些更高效的方式去實現(xiàn)），字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成。

由于Java虛擬機的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時間的方式來實現(xiàn)的，在任何一個確定的時刻，一個處理器（對于多核處理器來說是一個內(nèi)核）只會執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數(shù)器，各條線程之間的計數(shù)器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域為“線程私有”的內(nèi)存。

如果線程正在執(zhí)行的是一個Java方法，這個計數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是Natvie方法(一個Native Method就是一個java調(diào)用非java代碼的接口。一個Native Method是這樣一個java的方法：該方法的實現(xiàn)由非java語言實現(xiàn)，比如C。)，這個計數(shù)器值則為空（Undefined）。

此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在Java虛擬機規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。

  • JVM棧

與程序計數(shù)器一樣，Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。虛擬機棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個方法被執(zhí)行的時候都會同時創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame）用于存儲局部變量表、操作棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個方法被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。

局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference類型，它不等同于對象本身，根據(jù)不同的虛擬機實現(xiàn)，它可能是一個指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔?，也可能指向一個代表對象的句柄或者其他與此對象相關的位置）和returnAddress類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）。

其中64位長度的long和double類型的數(shù)據(jù)會占用2個局部變量空間（Slot），其余的數(shù)據(jù)類型只占用1個。局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。

在Java虛擬機規(guī)范中，對這個區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果虛擬機?？梢詣討B(tài)擴展（當前大部分的Java虛擬機都可動態(tài)擴展，只不過Java虛擬機規(guī)范中也允許固定長度的虛擬機棧），當擴展時無法申請到足夠的內(nèi)存時會拋出OutOfMemoryError異常。

  • 本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其區(qū)別不過是虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行Java方法（也就是字節(jié)碼）服務，而本地方法棧則是為虛擬機使用到的Native方法服務。虛擬機規(guī)范中對本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與數(shù)據(jù)結構并沒有強制規(guī)定，因此具體的虛擬機可以自由實現(xiàn)它。甚至有的虛擬機（譬如Sun HotSpot虛擬機）直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。與虛擬機棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

現(xiàn)在用一張圖來介紹每個區(qū)域存儲的內(nèi)容。

③jvm體系之-GC算法 垃圾回收

程序計數(shù)器、虛擬機棧、本地方法棧 3 個區(qū)域隨線程生滅(因為是線程私有)，棧中的棧幀隨著方法的進入和退出而有條不紊地執(zhí)行著出棧和入棧操作。而 Java 堆和方法區(qū)則不一樣，一個接口中的多個實現(xiàn)類需要的內(nèi)存可能不一樣，一個方法中的多個分支需要的內(nèi)存也可能不一樣，我們只有在程序處于運行期才知道那些對象會創(chuàng)建，這部分內(nèi)存的分配和回收都是動態(tài)的，垃圾回收器所關注的就是這部分內(nèi)存。

  • 在進行內(nèi)存回收之前要做的事情就是判斷那些對象是‘死’的，哪些是‘活’的。
    判斷對象是否存活一般有兩種方式：
    1.引用計數(shù)：每個對象有一個引用計數(shù)屬性，新增一個引用時計數(shù)加1，引用釋放時計數(shù)減1，計數(shù)為0時可以回收。此方法簡單，無法解決對象相互循環(huán)引用的問題。
    2.可達性分析（Reachability Analysis）：從GC Roots開始向下搜索，搜索所走過的路徑稱為引用鏈。當一個對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連時，則證明此對象是不可用的，不可達對象。
    GC算法

  • GC最基礎的算法有三種：標記 -清除算法、復制算法、標記-壓縮算法，我們常用的垃圾回收器一般都采用分代收集算法。

1.標記 -清除算法，“標記-清除”（Mark-Sweep）算法，如它的名字一樣，算法分為“標記”和“清除”兩個階段：
首先標記出所有需要回收的對象，在標記完成后統(tǒng)一回收掉所有被標記的對象。

2.復制算法，“復制”（Copying）的收集算法，它將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。
當這一塊的內(nèi)存用完了，就將還存活著的對象復制到另外一塊上面，然后再把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉。

3.標記-壓縮算法，標記過程仍然與“標記-清除”算法一樣，但后續(xù)步驟不是直接對可回收對象進行清理，
而是讓所有存活的對象都向一端移動，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存

4.分代收集算法，“分代收集”（Generational Collection）算法，把Java堆分為新生代和老年代，
這樣就可以根據(jù)各個年代的特點采用最適當?shù)氖占惴ā?
  • 垃圾回收器
1.Serial收集器
串行收集器是最古老，最穩(wěn)定以及效率高的收集器，可能會產(chǎn)生較長的停頓，只使用一個線程去回收。

2.ParNew收集器
ParNew收集器其實就是Serial收集器的多線程版本。
Parallel收集器，Parallel Scavenge收集器類似ParNew收集器，Parallel收集器更關注系統(tǒng)的吞吐量。

3.Parallel Old 收集器
Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多線程和“標記－整理”算法

4.CMS收集器
CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短回收停頓時間為目標的收集器。

5.G1收集器
G1 (Garbage-First)是一款面向服務器的垃圾收集器,主要針對配備多顆處理器及大容量內(nèi)存的機器.
 以極高概率滿足GC停頓時間要求的同時,還具備高吞吐量性能特征

詳細學習記錄:http://www.itdecent.cn/p/8e55c79be2aa

④jvm體系之-GC分析 命令調(diào)優(yōu)

  • GC日志分析

http://www.itdecent.cn/p/0ed902739aa0

  • GC日志分析命令
    Sun JDK監(jiān)控和故障處理命令有jps jstat jmap jhat jstack jinfo 
jps: JVM Process Status Tool,顯示指定系統(tǒng)內(nèi)所有的HotSpot虛擬機進程。

jstat: JVM statistics Monitoring是用于監(jiān)視虛擬機運行時狀態(tài)信息的命令，它可以顯示出虛擬機進程中的類裝載、內(nèi)存、垃圾收集、JIT編譯等運行數(shù)據(jù)。

jmap: JVM Memory Map命令用于生成heap dump文件

jhat: JVM Heap Analysis Tool命令是與jmap搭配使用，用來分析jmap生成的dump
      jhat內(nèi)置了一個微型的HTTP/HTML服務器，生成dump的分析結果后，可以在瀏覽器中查看

jstack: 用于生成java虛擬機當前時刻的線程快照。

jinfo: JVM Configuration info 這個命令作用是實時查看和調(diào)整虛擬機運行參數(shù)。

常用調(diào)優(yōu)工具分為兩類
jdk自帶監(jiān)控工具：jconsole和jvisualvm
第三方有：MAT(Memory Analyzer Tool)、GC Easy。

文章參考：
http://www.ityouknow.com/java.html

?著作權歸作者所有,轉載或內(nèi)容合作請聯(lián)系作者
【社區(qū)內(nèi)容提示】社區(qū)部分內(nèi)容疑似由AI輔助生成，瀏覽時請結合常識與多方信息審慎甄別。
平臺聲明：文章內(nèi)容（如有圖片或視頻亦包括在內(nèi)）由作者上傳并發(fā)布，文章內(nèi)容僅代表作者本人觀點，簡書系信息發(fā)布平臺，僅提供信息存儲服務。

相關閱讀更多精彩內(nèi)容

友情鏈接更多精彩內(nèi)容