JVM学习文档

引言

1.什么是JVM? 2.学习JVM有什么用呢？ 3.常见的JVM有哪些？ 4.学习线路 

JVM介绍

​ 定义：Java Virtual Machine = java 程序的运行环境 ( java二进制字节码的运行环境 )。 JVM是一套规范，由不同的厂商实现。

​ 好处：

    1.使得java程序可以一次编写，到处运行，Java虚拟机从软件层面屏蔽了不同操作系统之间的底层差异。      2.提供了自动内存管理机制，垃圾回收功能。      3.数组下标越界检查。      4.多态机制的实现。 

​ 比较：

​ 面试题：jvm、jdk、jre 三者之间的关系？ 包含关系。

 jdk = jvm + 基础类库+编译工具  jre = jvm + 基础类库 

​ 学习JVM有什么用？

    1.面试。     2.理解底层的实现原理。(更好理解：自动拆装箱、动态代理的原理。)     3.中高级程序员的必备既能！ 

​ 常见的JVM：

​ 此次学习以HotSpot vm 为准。

学习线路图

一、JVM内存结构

1.程序计数器

1.1 作用

​ 记住下一条JVM指令的执行地址。

1.2 特点

    1.是线程私有的。每一个线程都会有一个程序计数器。     2.唯一一个不会存在内存溢出结构。 

2.虚拟机栈

2.1 定义

​ 每一条线程运行时需要的总内存空间，称为虚拟机栈。也称为 线程栈。

2.2 特点

​ 一个线程栈由多个【栈帧】组成。当需要调用方法时，线程栈会为该方法开辟一块栈帧空间，方法执行完后栈帧弹栈并释放栈帧内存。

    栈帧：每个方法运行时需要的内存。      活动栈帧：指的就是正在执行的那个方法。 

2.3 问题辨析

1.垃圾回收是否涉及栈内存？  不涉及，线程栈内存仅涉及到方法的一次次的调用与释放。 2.栈内存分配越大越好吗？   栈内存分配越大，线程数就会变少。 3.方法内的局部变量是否线程安全？     如果方法内的局部变量没有逃离方法的作用范围，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，需要考虑线程安全问题。 

2.4 栈内存溢出问题

栈内存溢出异常：java.lang.StackOverflowError  原因：  1.栈帧过多导致栈内存溢出。如：递归调用。  2.栈帧过大导致栈内存溢出。 

2.5 线程运行诊断

案例1： CPU占用过多
定位:(Linux环境下)
1.用top定位那个进程对cpu的占用过高
2.ps H -eo pid,tid,%cpu | grep +进程id (用ps命令进一步定位是那个线程引起的cpu占用过高)
3.使用jdk自带工具 jstack + 进程id
可以根据线程id找到有问题的线程，进一步定位到问题代码的源代码行号。
案例2： 迟迟得不到结果。 考虑 线程死锁

3.本地方法栈

3.1 定义

​ jvm在调用本地方法时为本地方法提供的内存空间。

​ 指的就是那些不是由Java代码编写的方法。底层与操作系统打交道的是 c/c++ 如：clone()、notify（）方法等。

4.堆内存

4.1 定义

​ 通过new关键字创建的对象，都会使用堆内存。

4.2 特点

 1.是线程共享的内存区域，堆中的对象都要考虑线程安全的问题。  2.有垃圾回收机制。  

4.3 堆内存溢出

​ java.lang.OutOfMemoryError Java heap space

4.4 堆内存诊断

    1.jps 工具         查看当前系统中存在哪些Java进程     2.jmap 工具  使用：jmap + -heap + 进程id         查看当前线程堆内存占用情况。     3.jconsole 工具         图形界面的，多功能的检测工具，可以连续监测。 

案例：
垃圾回收后，内存占用仍然很高,怎么查看并排除？【有实际价值】

解决方法：  使用更实用的jdk官方工具： jvirsualvm 内存占用可视化工具--使用 堆dump 將占用情况抓取下来分析。 

5.方法区

5.1 定义

 方法区是线程共享的一块区域，存储的是与类结构相关的如常量池等，还包括在类、实例、接口初始化时用到的特殊方法。在虚拟机启动时被创建，逻辑上是属于堆内存的一部分，但是在具体实现上不同虚拟机的厂商不一定遵从jvm逻辑规范，实现方式有所不同。 

方法区的内存结构变化图

5.2 特点

    1.线程共享     2.方法区中存储的是与类相关的一些信息，如：成员变量，成员方法，构造方法、运行时常量池等。     3.由虚拟机启动时创建,逻辑上是堆内存的一部分。     4.jdk 1.8之前 被称为永久代,属于堆内存的一部分。1.8之后，被称为元空间，使用的是本地内存(使用操作系统的内存)。 

5.3 方法区的内存溢出

 实际场景：框架中使用Cglib来动态生成并加载代理类，很容易产生永久代内存溢出。如： spring、 Mybatis  

5.4 常量池

5.4.1 定义

 常量池是 *.class中的概念，本质就是一张表，虚拟机指令根据符号地址从这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面值常量等信息。 

5.4.2 作用

​ 给JVM指令提供一些常量符号，虚拟机执行引擎中的解释器会根据符号找到对应的信息。

5.4.3 常量池与StringTable的关系

 在程序运行时，常量池中的信息，都会被加载到运行时常量池中，字符串对象在未使用时仅仅是常量池中的一个符号，当执行到 String s = "a" 时，才会创建字符串对象，此时，会把 a 作为 key值从 StringTable 查找，如果有则直接用，如果没有则把 符号 "a"变为字符串对象，放入StringTable中。 

5.5 运行时常量池

5.5.1定义

​ 当类被加载进内存时，他的常量池信息就会被放入到运行时常量池(在方法区中)，并将常量池中的符号地址变为真实的内存地址。

5.5.2 StringTable的内存位置

5.5.3 StringTable特性

    1. 常量池中的字符创仅是符号，第一次使用时才会变成对象。     2. 利用串池的机制，可以避免重复创建字符串对象。     3. 字符串变量拼接的底层原理是使用StringBuiler对象拼接。(jdk1.8)     4. 字符串常量拼接的原理是编译期的优化。     5. 可以使用intern方法，主动将串池中还没有的字符串对象放入串池。  * intern()方法在jdk1.6和jdk1.8 底层实现的区别?   jdk1.8中,将内存中的字符串对象尝试放入串池，如果串池中有则不会放入，如果没有则放入串池，并把放入串池中的对象返回。   jdk1.6中,将内存中的字符串对象尝试放入串池，如果串池中有则不会放入，如果没有则【会把该字符串对象复制一份】放入串池，并把放入串池中的对象返回。 

案例1

案例2

5.5.4 StringTable的性能调优

​ pass

6.直接内存

6.1 特点

    1.属于操作系统内存。     2.常见于NIO操作时，用于数据缓冲区。     3.分配回收成本较高，但读写性能高。     4.不受JVM内存回收管理。 

1. Java文件读写过程之BIO

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-NDfzW3E1-1591013381172)(.imagesJava文件读写过程_BIO_01.png)]

2. Java文件读写过程之NIO 提高了文件读写的效率。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-QZpb9Anx-1591013381173)(.imagesJava文件读写过程_NIO_02.png)]

6.2 直接内存分配和回收的原理

 1.使用了Java最底层的一个 Unsafe 对象完成了直接内存的分配回收，并且通过主动调用 freeMemory 方法来回收直接内存。   2.ByteBuffer 的实现类内部，使用了Cleaner(虚引用) 来监测ByteBuffer对象，一旦 ByteBuffer对象被垃圾回收，那么就会由ReferenceHandler线程  3.通过Cleaner的clean（）方法调用 freeMemory来释放直接内存。 

二、垃圾回收机制

内容介绍

 1.如何判断对象可以回收     2.垃圾回收算法     3.分代垃圾回收算法     4.垃圾回收器     5.垃圾回收调优 

1. 如何判断对象可以回收？

1.1 两个对象回收算法

引用计数法：指一个对象被其他变量引用，就让引用计数加1，当被两个对象引用时就加2，如果没有变量引用时，计数为 0.    　　　  　【缺点】：    1.循环引用问题。　Ａ对象引用Ｂ，Ｂ引用Ａ，ＡＢ均无其他对象引用。由于ＡＢ对象的引用计数均为１，   所以ＡＢ对象不会被当作垃圾回收，从而造成了内存泄漏问题。       2.早期Python虚拟机在进行垃圾回收时就采用了引用计数算法。  可达性分析算法(JAVA虚拟机采用)       根对象：肯定不能当成垃圾被回收的对象就是根对象。(例子：一串葡萄，掉在盘子里的就可被回收。)    特点：   1.　java虚拟机中的垃圾回收机器采用可达性分析来探索所有存活的对象。   2.　扫描堆中的对象，看是否能够沿着GC Root对象为起点的引用链找到该对象，找不到，表示可以回收。        问：哪些对象可以作为GC Root？          a.虚拟机栈(栈桢中的本地变量表)中的引用的对象      b.方法区中的类静态属性引用的对象      c.方法区中的常量引用的对象      d.本地方法栈中JNI的引用的对象 

1.2对象的四种引用

面试题： 请你说一下Ｊａｖａ虚拟中的四种引用？　    常见的是五种，分别是强引用、弱引用、虚引用、软饮用、终结器引用。    

1.2.1 强引用

定义：  我们平常用的对象都是强引用。如　Student s = new Student()；通过【赋值号】ｓ就【强引用】了学生对象。   特点:   * 只要沿着GC Root根对象的引用链能够找到该对象，就不会被回收。只有所有的GC Root对象都不通过【强引用】引用该对象，该对象才能被垃圾回收。 

1.2.2软引用

特点：   * 只有没有被直接的强引用而引用，当垃圾回收发生后，内存仍然不足时，就会回收软引用对象。　  * 可以配合引用队列来释放软引用自身。 

1.2.3 弱引用

特点：   *　只要没有被直接的强引用而引用，只要垃圾回收动作发生，不管内存是否充足，都会回收弱引用对象。  *　可以配合引用队列来释放弱引用自身。 

1.2.4 虚引用

特点：   * 虚引用必须配合引用队列使用，主要配合 ByteBuffer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内存。 

1.2.5终结器引用

特点：  无需手动编码，但是内部配合引用队列使用，在垃圾回收时，终结器引用入队（被引用对象暂时没有被回收），再由 Finalizer 线程通过终结器引用找到被引用的对象并调用它的finalize()方法，第二次GC 时才能被回收。 

2.垃圾回收算法

2.1 标记清除算法

2.2 标记整理算法

2.3 复制算法

3.分代垃圾回收机制

3.1 垃圾回收执行流程

3.2 与GC 相关 vm参数

4. 垃圾回收器的分类

4.1.串行

特点：     * 单线程     * 适用于 堆内存较小，适合个人电脑。 

4.2.吞吐量优先

特点：     * 多线程     * 堆内存较大，多核cpu     * 让单位时间内，STW的时间最短           吞吐量： 垃圾回收时间占程序运行时间的比重，垃圾回收时间越短，吞吐量越大。 

4.3.响应时间优先

特点：     * 多线程     * 堆内存较大，多核cpu     * 尽可能让单次STW的时间最短 

4. 4G1 垃圾回收器

4.4.1 定义：

​ Garbage First

4.4.2 适用场景/特点

1、同时注重吞吐量和低延迟、默认的暂停目标是 200ms. 2、超大堆内存，会将堆内存划分为多个大小相等的Region.    注意：每个区域都可以独立作为伊甸园区、幸存区、和老年代区。 3、整体上是标记+清除算法，两个区域之间采用的是复制算法.  相关的jvm参数:      -xx:+UseG1Gc     -xx:G1HeapRegionSize = size     -xx:MaxGCPauseMillis = time  

4.4.3 G1垃圾回收阶段

4.4.4 Young COllection 新生代垃圾回收

4.4.5 Young Collection + CM 垃圾回收阶段

4.4.6 Mixed Collection垃圾回收阶段

垃圾回收阶段

未完待续…