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第20章-JVM简介【扩展】

概述​

  • JVM是JRE中运行程序的核心功能

  • 实际应用中，有多种JVM，有的HotSpot、Dalvik和ART（Android）、Microsoft JVM等，可通过java –version查看，现在通常使用的是HotSpot

  • .java的源代码通过编译成.class字节码后，会通过JVM的类加载器加载进JVM，然后执行，进行数据处理等操作

  • 具体的JVM结构图如下

    JVM-JVM结构图

    JVM结构图（图片来自网络）

类加载器​

  • 类加载器（Class Loader）负责将.class文件的字节码内容加载到内存，并将内容转换成方法区中的运行时数据结构

  • 只负责加载，是否可运行，由执行引擎决定

  • 类加载器按加载顺序由高到低分为4种：

    • BootstrapClassLoader，根加载器，虚拟机自带的加载器，用于加载$JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar包内的class文件，rt.jar是Java基础类库，包含Java运行环境所需的基础类，由C++实现
    • ExtClassLoader ，扩展类加载器，虚拟机自带的加载器，用于加载$JAVA_HOME/jre/lib/ext/**.jar目录下的class文件
    • AppClassLoader ，应用程序类加载器，虚拟机自带的加载器，用于加载当前应用的classpath的所有类，也就是我们自己写的那些Java代码
    • 自定义加载器，可以通过继承Java.lang.ClassLoader抽象类自定义一个类加载器，多用于大型项目的版本冲突处理、热加载、字节码加密

  • 双亲委派机制，保证优先加载基础类库；任何类的加载，都会先委托父类寻找指定的类加载器加载，形成一个链条，只有当链条中的某个类没有找到类加载器，才会让链条中的子层次中去寻找这一层次的类加载器；如此，可避免自定义的Java类会污染JDK自带的基础类库

    JVM-类加载器

  • 具体加载顺序和过程如下图：

类加载顺序

JVM-类加载过程

类加载过程（图片来自网络）

方法区​

  • 所有线程共享的一个运行时内存区域
  • 可以理解为一种规范，不同的JVM实现有不同实现
  • 存储了已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等

堆​

  • 一个JVM进程有且只有一个堆，所有线程共享
  • 主要包含下面几个部分
    • 新生代（Yong Generation），包括一个伊甸园区（Eden Space）和两个幸存者区（Survivor0和Survivor1）
    • 老年代（Old Generation）
    • 元空间（Meta Space）
  • 堆大小可以在启动JVM时通过-Xms、Xmx等参数进行配置
  • 垃圾回收机制（Garbage Collection）是针对新生代和老年代的堆内存空间进行回收
  • 另外，所有的非基本数据类型对象都活在堆中

栈​

  • 每个线程会创建一个栈，生命周期与线程一致，属于线程私有
  • 主要用于保存局部变量、对象引用、操作数栈、动态链接和返回地址等
  • 遵守FILO(First-In/Last-Out)规则，有入栈（Push）和出栈（Pop)操作
  • 可在JVM启动时通过-Xss配置容量，超出容量时会抛出StackOverflowError异常
  • Linux下的JVM里的栈默认大小一般是1024KB

程序计数器​

  • 每个线程有一个程序计数器，是线程私有
  • 起到一个指针的作用，指向方法区中的方法字节码，存储当前线程的下一条指令地址
  • 主要是解决CPU分时在不同的线程间切换，返回线程时，知道从什么地方继续执行

本地方法栈​

  • 用于管理本地接口的调用
  • 主要是Java调用非Java语言代码的接口，非Java接口通过使用native关键字进行标记，并进行调用

本地接口​

  • 用于融合不同编程语言代码为Java所用，如C/C++

执行引擎​

  • 解释器（Interpreter）：JVM在程序运行时通过解释器逐行将.class字节码转为本地机器指令执行
    • 优点：程序启动就可以马上逐行翻译执行
    • 缺点：高频代码每次都逐行翻译执行，效率不高
  • JIT编译器（Just In Time Compiler，即时编译器）：将高频代码直接编译为机器指令然后缓存在方法区中，然后再执行
    • 优点：机指令执行效率高
    • 缺点：首次将代码编译成本地机器指令时需要耗费一些时间
  • JVM在执行Java程序时将解释和编译结合起来，提高运行效率
  • 通常，JVM通过以下方式来确实是否为高频代码，这两个的阀值可以配置
    • 方法调用计数器：统计方法调用的次数
    • 回边计数器：统计循环体执行的循环次数
  • 另外，也可以通过配置，让JVM完全解释执行程序或完全编译执行程序

垃圾回收机制​

由来​

  • 在传统的C++等更底层的语言中，对象存储是需要在程序中进行内存空间分配与回收的，如使用malloc、free；如果忘记释放占用的内存空间或内存空间占用过多，会导致程序奔溃乃至系统宕机
  • Java语言诞生后，取得了广泛应用，其中重要的特点，就是开发人员不再需要频繁处理对象存储时内存空间的分配与回收

为什么要需要垃圾回收？​

  • JVM程序所有的引用类型的对象实例与数据，都需要在堆中进行分配，有些甚至需要连续的空间，比如数组
  • 如果不进行干预，程序持续的运行，将会耗尽堆空间，产生OutOfMemoryError异常
  • 此时，就需要一套机制来保证堆空间得到合理的分配与使用，让程序持续运行

概述​

  • 程序中的大多对象，在创建后很快就不再使用了，98%以上的对象都是"朝生夕死"，这些对象的空间应该及时释放，并加以利用
  • JVM通过对堆进行分代，同时针对不同分代使用不同的垃圾回收策略，来保证垃圾回收的效率和堆空间的合理使用
  • 垃圾回收机制是JVM负责自动运行的，程序并不能通过代码直接控制，虽然有System.gc()方法来进行Full GC（Minor GC + Major GC），但并不能确定什么时候能真正进行回收

如何进行垃圾回收？​

第一步，确定算法，标记垃圾​

  • 如何标记垃圾？需要使用垃圾标记的算法，使用的是“可达性分析算法”

  • 其算法思路是，以根（GC Roots）为起点，从上到下搜索被根对象连接的目标是否可达，可达即为存活对象，不可达则为垃圾；如下图示例

    JVM-GC-标记垃圾

    GC Roots（图片来自网络）

  • 根（GC Roots）的主要类别有：

    • 虚拟机栈中引用的对象
    • 本地方法栈内引用的对象
    • 方法区中类静态属性引用的对象，如Java类的引用类型静态变量
    • 方法区中常量引用的对象
    • 所有被synchronized持有的对象
    • Java虚拟机内部引用
    • 反映Java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等
第二步，使用算法，分代收集​

​ 其具体步骤如下，可参考示意图理解：

  1. 所有对象创建都放到伊甸园区

  2. 伊甸园区满后，触发Minor GC，通过第一步算法标记后，删除未引用对象，将幸存对象复制到幸存者0区，清空伊甸园区

  3. 随着对象持续创建伊甸园区再次满后，再次进行Minor GC，通过第一步算法标记后，删除未引用对象，将幸存对象复制到幸存者1区；同时，将幸存者0区的对象年龄+1复制到幸存者1区，清空伊甸园区和幸存者0区

  4. 随着对象继续持续的创建，伊甸园区又满了后，继续进行Minor GC，通过第一步算法标记后，删除未引用对象，将幸存对象复制到幸存者0区；同时，将幸存者1区的对象年龄+1，并复制到幸存者0区，清空伊甸园区和幸存者1区

  5. 随着上述步骤不断的进行，并不断的进行Minor GC，两个幸存者区不断交换存储，里面对象的年龄也越来越大，当年龄到达阀值后，数据将会进入养老区

  6. 当程序继续持续运行，上面的Minor GC不断进行将数据复制到养老区；然后养老区满了，会触发养老区的Major GC

  7. 如果养老区也满了，无法存放程序新创建的对象时，会产生OutOfMemoryError异常

    JVM-GC-垃圾回收示意图

    JVM堆中垃圾分代收集示意图（图片来自网络）

查看垃圾回收日志​

  • 在IDEA中查看：在运行配置的VM options中添加参数-XX:+PrintGCDetails（可以配置后，结合jvisualvm来手动垃圾回收查看输出效果）
  • jconsole：使用JDK工具jconsole在本地查看JVM各类参数
  • jvisualvm：也是JDK工具，可以查看JVM各类参数，垃圾回收的回收曲线等
  • jmap：可以将服务器的java进程的堆空间生成dump进程内存镜像文件，并使用jvisualvm进行分析

注意：不同Java版本，垃圾回收机制并不相同，后续版本还有并行、并发等回收机制，在性能上有提升，可扩展学习

实战和作业​

  1. 熟悉JVM结构，并能大概描述其主要组成部分
  2. 了解垃圾回收机制的过程