JVM虚拟机详解

目录

01JVM由哪些部分组成/运行流程

什么是程序计数器

详细介绍堆

介绍方法区（Method Area）

直接内存

虚拟机栈(Java Virtual machine Stacks)

垃圾回收是否涉及栈内存

栈内存分配越大越好吗

方法内的局部变量是否线程安全

什么情况下会导致栈内存溢出

堆栈区别

02类加载器

什么是类加载器，有哪些类加载器

双亲委派机制

为什么采用双亲委派机制

类装载的执行过程

03垃圾回收

强引用、软引用、弱引用、虚引用

对象什么时候可以被垃圾回收

JVM垃圾回收算法有哪些

JVM中的分代回收

JVM有哪些垃圾回收器

详细聊一下G1垃圾回收器

04JVM实战

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Java Virtual Machine Java程序的运行环境(java二进制字节码的运行环境)

好处：

一次编写，到处运行

自动内存管理，垃圾回收机制

01JVM由哪些部分组成/运行流程

第一行的作用：Java代码转换为字节码

第二行的作用：把自己恶魔加载到内存

第三行(左)的作用：字节码翻译为底层系统指令   

什么是程序计数器

程序计数器：线程私有的，内部保存的字节码的行号。用于记录正在执行的字节码指令的地址。

javap -v xx.class 打印堆栈大小，局部变量的数量和方法的参数。

详细介绍堆

线程共享的区域：主要用来保存对象实例、数组等，当堆中没有内存空间可分配给实例，也无法再扩展时，则抛出OutOfMemoryError异常。

组成：年轻代+年老代

        年轻代被划分为三部分，Eden区和两个大小样相同的Survior区，

        老年代主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象。

JDK1.7和JDK1.8的区别：

        1.7中有一个永久代，存储的是类信息、静态变量、常量、编译后的代码

        1.8移除了永久代，把数据存储到了本地内存的元空间中，防止内存溢出

JDK1.7：

介绍方法区（Method Area）

方法区是各个线程共享的内存区域

主要存储类的信息，运行时常量池

虚拟机启动的时候创建，关闭虚拟机时释放

如果方法区域中的内存无法满足分配请求，则会抛出OutOfMemoryError:Metaspace

直接内存

直接内存：并不属于JVM中的内存结构，不由JVM进行管理。是虚拟机的系统内存，常见于NIO操作时，用于数据缓冲区，它分配回收成本较高，但读写性能高。

虚拟机栈(Java Virtual machine Stacks)

每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈，先进后出

每个栈由多个栈帧(frame)组成，对应着每次方法调用时所占用的内存

每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法

垃圾回收是否涉及栈内存/方法区

垃圾回收主要指就是堆内存，当栈帧弹栈以后，内存就会释放

方法区不同于堆内存，它的垃圾回收主要涉及对类信息的管理和释放，而不是对对象实例的释放。对于方法区中的垃圾回收，主要是针对类的加载和卸载行为，而不是像堆内存一样针对对象的使用。

栈内存分配越大越好吗

未必，默认的栈内存通常为1024k

栈帧过大会导致线程数变少，例如，机器总内存为512m，目前能活动的线程数则为512个，如果把栈内存改为2048k，那么能活动的栈帧就会减半。

方法内的局部变量是否线程安全

如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围，他是线程安全的

如果是局部变量引用了对象，并逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

什么情况下会导致栈内存溢出

栈帧过多导致栈内存溢出，典型问题：递归调用  ->  java.lang.StackOverflowError

栈帧过大导致栈内存溢出

堆栈区别

• 栈内存一般会用来存储局部变量和方法调用，但堆内存是用来存储Java对象和数组的。堆会GC垃圾回收，而栈不会。
• 栈内存是线程私有的，而堆内存是线程共有的。
• 两者异常错误不同，但如果栈内存或者堆内存不足都会抛出异常。

        栈空间不足：java.lang.StackOverFlowError                                                                                      堆空间不足：java.lang.OutOfMemoryError

02类加载器

什么是类加载器，有哪些类加载器

类加载器：用于装载字节码文件(.class文件)。JVM只会运行二进制文件，类加载器就是将字节码文件加载到JVM中，从而让Java程序能够启动起来。

• 启动类加载器(BootStrap ClassLoader)：加载JAVA_HOME/jre.lib目录下的库
• 扩展类加载器(ExtClassLoader)：主要加载JAVA_HOME/jre/lib/ext目录中的类
• 应用类加载器(AppClassLoader)：用于加载classPath下的类
• 自定义加载器(CustomizeClassLoader)：自定义类继承ClassLoader，实现自定义类加载规则

双亲委派机制

加载某一个类，先委托上一级的加载器进行加载，如果上级加载器也有上级，则会继续向上委托，如果该类委托上级没有被加载，子加载器尝试加载该类。

目的：防止内存中出现多个相同的字节码，因为如果没有双亲委派的话，用户就可以自己定义一个java.lang.String类，那么就无法保证类的唯一性。

为什么采用双亲委派机制

1. 通过双亲委派机制可以避免某一个类被重复加载，当父类已经加载后则无需重复加载，保证唯一性
2. 为了安全，保证类库API不会被修改

package java.lang;
public class String {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("demo info");
    }
}

此时执行main函数，会出现异常，在类java.lang.String中找不到main方法。

由于是双亲委派的机制，java.lang.String的启动类加载器得到加载，因为在核心jre库中有其相同名字的类文件，但该类中并没有main方法。这样就能防止恶意篡改核心API库。 

类装载的执行过程

类从加载到虚拟机中开始，直到卸载为止，它的整个生命周期包括了：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载这7个阶段。其中，验证、准备和解析这三个部分统称为连接(linking)。

• 加载：查找和导入class文件
• 验证：保证加载类的准确性
• 准备：为类变量分配内存并设置类变量初始化
• 解析：把类中的符号引用转换为直接引用
• 初始化：对类的静态变量，静态代码块执行初始化操作
• 使用：JVM开始从入口方法开始执行用户的程序代码
• 卸载：当用户程序代码执行完毕后，JVM便开始销毁创建的Class对象

03垃圾回收

强引用、软引用、弱引用、虚引用区别

• 强引用：只有所有GC Roots对象不通过【强引用】引用该对象，该对象才能被垃圾回收

  User user = new User();
  

• 软引用：仅有软引用引用该对象时，在垃圾回收后，内存仍不足时会再次触发垃圾回收

  User user = new User();
  SoftReference softReference = new SoftReference(user);
  

  

•  弱引用：仅有弱引用引用该对象时，在垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收弱引用对象

  User user = new User();
  WeakReference weakReference = new WeakReference(user);
  

  

• 虚引用：必须配合引用队列使用，被引用对象回收时，会将虚引用入队，由Reference Handler线程调用虚引用相关方法释放直接存储

  User user = new User();
  ReferenceQueue reference = new ReferenceQueue();
  PhantomReference phantomReference = new PhantomReference(user,queue);
  

  

对象什么时候可以被垃圾回收

如果一个或多个对象没有任何的引用指向他了，那么这个对象现在就是垃圾，如果定位了垃圾，则有可能会被垃圾回收器回收。

定位垃圾的方式：

1、引用计数法

2、可达性分析法

JVM垃圾回收算法有哪些

标记清楚法

标记清除算法，是将垃圾回收分为2个阶段，分别是标记和清除

1、根据可达性分析算法得出的垃圾进行标记

2、对这些标记为可回收的内容进行垃圾回收

优点：标记和清除速度较快

缺点：碎片化较为严重，内存不连贯的

标记整理算法

优缺点同标记清楚法，解决了标记清除算法的碎片化问题，同时，标记压缩算法多了一步，对象移动内存位置的步骤，其效率也有一定的影响。 

将存活对象都向内存另一端移动，然后清理边界以外的垃圾，无碎片，对象需要移动，效率低。

复制算法

将原有的内存空间一分为二，每次只用其中的一块，正在使用的对象复制到另一个内存空间中，然后将该内存空间清空，交换两个内存的角色，完成垃圾的回收；无碎片，内存使用率低。 

优点：在垃圾对象多的情况下，效率较高；清理后，内存无碎片

 缺点：分配的2块内存空间，在同一时刻，只能使用一半，内存使用率较低

JVM中的分代回收

对于新生代，内部又被分成了三个区域。

• 伊甸园区Eden，新生的对象都分配到这里
• 幸存者区survivor(分成from和to)
• Eden区，from区，to区【8：1：1】 

分代收集算法的-工作机制

• 新创建的对象，都会先分配到Eden区
• 当伊甸园内存不足，标记伊甸园与from（现阶段没有）的存活对象
• 将存活对象采用复制算法复制到to中，复制完毕后，伊甸园和from内存都得到释放
• 经过一段时间后伊甸园的内存又出现不足，标记eden区域和to区存活的对象，将存活的对象复制到from区
• 当幸存区对象熬过几次回收(最多15次)，晋升到老年代(幸存区内存不足或大对象会导致提前晋升)

MinorGC、Mixed GC、FullGC的区别是什么？

• MinorGC【yound GC】发生在新生代的垃圾回收，暂停时间短（STW）
• Mixed GC新生代+老年代部分区域的垃圾回收，G1收集器特有
• FullGC：新生代+老年代完整垃圾回收，暂停时间长(STW)，应尽力避免

JVM有哪些垃圾回收器

在jvm中，实现了多种垃圾回收器，包括：

串行垃圾回收器

Serial和Serial Old串行垃圾回收器，是指使用单线程进行垃圾回收，堆内存较小，适合个人电脑。

• Serial作用于新生代，采用复制算法
• Serial Old作用于老年代，采用标记-整理算法

垃圾回收时，只有一个线程在工作，并且java应用中的所有线程都要暂停(STW)，等待垃圾回收的完成。

并行垃圾回收器

Parallerl New和Parallel Old是一个并行垃圾回收器，JDK8默认使用此垃圾回收器

• Parallel New作用于新生代，采用复制算法
• Parallel Old作用于老年代，采用标记-整理算法

垃圾回收时，多个线程在工作，并且java应用中的所有线程都要暂停(STW)，等待垃圾回收的完成。

CMS(并发)垃圾回收器

CMS(Concurrent Mark Sweep)，是一款并发的、使用标记-清除算法的垃圾回收器，该回收器是针对老年代垃圾回收的，是一款以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，停顿时间短，用户体验就好。其最大特年是在进行垃圾回收时，应用仍然能正常进行。

1. 初始标记阶段（Initial Mark）：

   • 这个阶段会标记所有的GC Roots能直接关联到的对象。这是一个短暂的Stop-The-World（STW）阶段，因为需要确保GC Roots的一致性。

2. 并发标记阶段（Concurrent Mark）：

   • 在这个阶段，CMS会并发地标记所有可达的对象，同时允许应用程序线程继续运行。这是CMS相对于其他垃圾收集器的优势之一，因为它最大程度上减少了停顿时间。

3. 重新标记阶段（Remark）：

   • 这个阶段会修正在并发标记期间有可能被修改的对象。虽然会有短暂的STW，但是它的目的是保证标记的准确性。

4. 并发清除阶段（Concurrent Sweep）：

   • 在这个阶段，CMS会并发地清除未标记的对象。这一步同样允许应用程序线程继续执行。

总的来说，CMS的主要特点是在整个垃圾收集过程中，尽量减少停顿时间，通过并发标记和清除来提高系统的响应性。这使得CMS适用于对低延迟要求较高的应用场景。

G1垃圾回收器

作用在新生代和老年代

G1垃圾回收器（详解）

• 应用于新生代和老年代，在JDK9之后默认使用G1
• 划分成多个区域，每个区域都可以充当eden，survior，old，humongous（巨型对象），其中humongous专为大对象准备
• 采用复制算法
• 响应时间与吞吐量兼顾
• 分成三个阶段：新生代回收、并发标记、混合收集
• 如果并发失败(即回收速度赶不上创建新对象速度)，会触发Full GC

 Young Collection(年轻代垃圾回收)

• 初始时，所有区域都处于空闲状态
• 创建了一些对象，挑出一些空闲区域作为伊甸园区存储这些对象
• 当伊甸园需要垃圾回收时，挑出一个空闲区域作为幸存区，用复制算法复制存活对象，需要暂停用户线程
• 随着时间流逝，伊甸园的内存又有不足
• 将伊甸园以及之前幸存区中的存活对象，采用复制算法，复制到新的幸存区，其中较老对象晋升至老年代

年轻代垃圾回收+并发标记

• 当老年代占用内存超过阈值(默认是45%)后，触发并发标记，这时无需暂停用户线程。

混合垃圾回收  

• 这些都完成后就知道老年 代有哪些存活对象，随后进入混合收集阶段。此时不会对所有老年代区域进行回收，而是根据暂停时间目标，有限回收价值高(存活对象少，可以释放更多的内存)的区域(这也是Gabage First名称的由来)。
• 复制完成，内存得到释放，进入下一轮的新生代回收、并发标记、混合收集

新生代和老生代分别用什么算法

在Java虚拟机中，新生代和老生代使用了不同的垃圾收集算法。以下是它们的主要算法：
新生代（Young Generation）：

1.复制算法（Copying or Scavenge）：

2.新生代一般采用复制算法。这是因为新生代的对象生命周期较短，复制算法适用于快速回收短命对象。新生代被分为两个区域：Eden空间和两个Survivor空间。对象首先被分配到Eden空间，然后经过一次Minor GC，存活的对象被复制到其中一个Survivor空间，不断重复这个过程。

3.标记-清除算法结合使用：

4.为了进一步优化，新生代的垃圾收集也可以使用标记-清除算法。在每次Minor GC之后，标记存活对象，然后进行一次清除操作，释放没有标记的对象。这有助于减少复制算法带来的复制成本。

老生代（Old Generation）：

5.标记-清除算法（Mark and Sweep）：

6.老生代一般使用标记-清除算法。这是因为老生代的对象生命周期较长，复制算法会浪费大量内存。标记-清除算法通过标记所有存活的对象，然后清除掉没有标记的对象，来进行垃圾收集。然而，标记-清除算法可能导致内存碎片。

7.标记-整理算法（Mark and Compact）：

8.为了解决内存碎片问题，一些垃圾收集器采用标记-整理算法。在标记-清除的基础上，它会将存活的对象移动到一端，然后清理掉边界外的内存。这有助于避免碎片化，提高内存利用率。

需要注意的是，不同的垃圾收集器和虚拟机实现可能选择不同的策略。例如，G1（Garbage-First）收集器在老年代也采用了一种混合的算法，结合了标记-整理和复制的思想。

04JVM实战

JVM调优的参数有哪些

对于JVM调优，主要就是调整年轻代、老年代、元空间的内存空间大小及使用的垃圾回收器类型。

设置堆空间大小

设置堆的初始大小和最大大小，为了防止垃圾收集器在初始大小、最大大小之间收缩堆而产生额外的时间，通常把最大、初始大小设置为相同的值。

• -Xms：设置堆的初始大小
• -Xmx：摄制队的最大大小

堆空间设置多少合适？

• 最大大小的默认值是物理内存的1/4，初始大小是物理内存的1/64
• 堆太小，可能会频繁的导致年轻代和年老代的垃圾回收，会产生stw，暂停用户线程
• 堆内存大肯定是好的，存在风险，假如发生了fullgc，它会扫描整个堆空间，暂停用户线程的时间长
• 设置参考推荐：尽量大。也要考察一下当前计算机其他程序的内存使用情况
• 虚拟机栈的设置

虚拟机栈的设置：每个线程默认会开启1M的内存，用于存放栈帧，调用参数、局部变量等，但一般256k就够用。通常减少每个线程的堆栈，可以产生更多的线程，但这实际上还受限于操作系统。  

虚拟机栈的设置

年轻代Eden区和两个Survivor区的大小比例

年轻代晋升老年代阈值

设置垃圾回收收集器

JVM调优的工具

命令工具

• jps    进程状态信息
• jstack    查看java进程内线程的堆栈信息
• jmap     堆转储快照分析工具
• jhat      堆转储快照分析工具
• jstat     JVM统计检测工具

可视化工具

• jconsole       用于对jvm的内存，线程，类的监控
• VisualVM          能够监控线程，内存情况

JVM内存泄露的排查思路

1、通过jmap指定打印他的内存快照dump(Dump文件是进程的内存镜像，可以把程序的状态通过调试器保存到dump文件中)

• 使用jmap命令获取运行中程序的dump文件

  jmap -dump:format=b.file=heap.hprof pid
  

• 使用vm参数获取dump文件  

有的情况是内存溢出之后程序则会直接中断，而jmap只能打印在运行中的程序，所以建议通过参数的方式的生成dump文件

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
-XX:HeapDumpPath=/home/app/dumps/

2、通过工具，VisualVM去分析dump文件，VisualVM可以加载离线的dump文件

3、通过查看堆信息的情况，可以大概定位内存溢出是哪行代码出现了问题

4、找到对用的代码，通过阅读上下文的情况，进行修复即可

CPU飙高排查方案与思路

1、使用top命令查看占用CPU的情况

2、通过top命令查看后，可以查看是哪一个进程占用cpu较高

3、使用ps命令查看进程中的线程信息

4、使用stack命令查看进程中哪些线程出现了问题，最终定位问题