深入理解jvm虚拟机一

  • JVM
    • Jvm基本概念
    • 运行过程
    • 内存区域
      • 程序计数器
      • 虚拟机栈
      • 本地方法栈
      • 堆
      • 方法区/永久代
      • 1.8元数据区
  • 回收与收集
    • 两大回收
      • 引用计数法
      • 可达性分析
    • 四大引用
      • 强引用
      • 软引用
      • 弱引用
      • 虚引用
  • 回收算法
    • 标记-清除（Mark-Sweep）
    • 复制（Copying）
    • 标记-整理（Mark-Compact）
    • 分代算法
      • 新生代
      • 老年代

JVM

Java与Jvm的关系似鱼和水，而开发者与Jvm的关系似情侣相爱相杀。爱它不用像C、C++摆弄指针,把内存控制的权利交给它,恨它一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不理解它的话，无从下手，更别谈优化了。

Jvm基本概念

JVM及Java虚拟机，是可运行Java代码的假象计算机，Jvm是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接交互。

运行过程

我们都知道Java源文件，通过编译器，能够生成相应的.class文件，也就是字节码文件，而字节码文件又能通过jvm的解释器，编译成机器上的机器码，大概流程如下：Java源文件—>编译器—>字节码文件—>jvm—>机器码，虽然每个平台的解释器不同，但是虚拟机是相同的，这也就是为什么java是跨平台的。

内存区域

Jvm把Java程序运行时的内存划分为不同的数据区域，如图所示：

jvm内存区域主要分为线程私有（程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈）、线程共享（堆、方法区）、直接内存，线程私有的生命周期与线程相同，依赖用户线程的启动/结束而创建/销毁，线程共享随虚拟机开启/关闭而创建/销毁。直接内存并不是jvm运行时数据区的一部分，在 JDK 1.4 引入的 NIO 提供了基于 Channel 与 Buffer 的 IO 方式， 它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后使用DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作，这样就避免了在 Java堆和 Native 堆中来回复制数据，因此在一些场景中可以显著提高性能。

程序计数器

一块较小的内存空间，是当前线程所执行到的字节码的行号指令器，每个线程都是独立运行的，如果正在执行的是Java方法，则记录的是正在执行的虚拟机字节码行号，如果是native方法，则为空，此区域也是唯一一个在虚拟机中没有规定任何 OOM 情况的区域。

虚拟机栈

生命周期与线程相同，是描述Java方法执行的内存模型，每个方法在执行的时候都会创建一个栈针，用于存放局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行结束对应栈针在虚拟机中的入栈和出栈。如果虚拟机栈请求栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StrakOverflowError异常；如果扩展时无法申请到足够的内存，将抛出OOM异常，可以通过xss参数来调节大小，默认1M。

本地方法栈

与虚拟机中作用相似，区别是虚拟机栈为Java方法服务的，而本地方法栈是为native服务的，它也会抛出同虚拟机栈一样的异常。

堆

是用来存放被创建的对象、数组，也是垃圾回收器进行垃圾回收的主要内存区域，可以通过xms、xmx来设置初始化堆大小、最大堆大小，默认是最小1/64，最大1/4。由于现代的垃圾回收器都是采用分代回收，因此堆从GC的角度还可以细分为：新生代（Eden区、From Survivor区、To Survivor区）和老年代。

方法区/永久代

用来存放被Jvm加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码数据，HotSpot VM把GC分代收集扩展至方法区， 即使用Java堆的永久代来实现方法区， 这样 HotSpot 的垃圾收集器就可以像管理 Java 堆一样管理这部分内存，而不必为方法区开发专门的内存管理器(永久带的内存回收的主要目标是针对常量池的回收和类型的卸载，因此收益一般很小)，通过设置PermSize和MaxPermSize设置初始化和最大上限（1.7以前）。

1.8元数据区

在Jdk1.8取消了永久代，不在使用虚拟机内的永久代而是改用本地内存——元数据区（Metaspace），通过MetaspaceSize和MaxMetaspaceSize来设置初始化和最大上限。至于为什么不使用，理由如下：
1. 永久代调优很难，会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。
2. 字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。
3. 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。
4. Oracle 可能会将HotSpot 与 JRockit 合二为一。

回收与收集

两大回收

在堆里几乎存放了所有的实例，垃圾回收前，需要判断哪些对象“活着”，哪些对象“死去”。

引用计数法

在java中引用和对象是有关联的，如果操作对象就必须用引用来进行。因此通过引用计数法来判断一个对象是否可以被回收，被引用则计数器+1，引用失效则计数器-1，直到引用计数为0，这是基本的也是比较高效的，但是无法避免相互引用。

可达性分析

为了避免相互引用问题，Java使用的可达性分析的方法，通过“GC roots”对象作为起点搜索，如果没有可达路径，则该对象不可达，可以被回收。即使这样，也不是说必须回收，如果该对象覆盖了finalize()方法，重新引用对象可以进行自救，只会自救一次。因为这个方法对运行代价高，不稳定性，因此也不推荐使用。在Java中GC roots对象包括下面四种：
1. 虚拟机栈(栈针中变量表)引用的对象
2. 本地方法栈(JNI)引用的对象
3. 方法区中类静态属性引用的对象
4. 方法区中常量引用的对象

四大引用

无论是引用计数法还是可达性分析，都与Java中引用有关。

强引用

Java中常见的引用，Object obj=new Object，即使虚拟机抛出OOM（内存溢出）也不会释放这部分引用，这部分容易造成内存泄漏。

软引用

需要用SoftReference类实现，描述一些还有用但非必需的对象，当系统内存足够时，是不会回收这部分资源，只有在系统内存不够时，这部分则会被回收。

弱引用

需要用WeakReference类实现，它比软引用存活时间更短，它的生命周期只存活在下一次垃圾回收之前。

虚引用

需要 PhantomReference 类来实现，随时被回收，它不能单独使用，必须和引用队列联合使用，虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。

回收算法

标记-清除（Mark-Sweep）

最基本的垃圾回收算法，分为两个阶段：标记、清除。标记可以被回收的对象，清除所有被标记的对象。
缺点：空间碎片化严重，标记清除，效率都不高。

复制（Copying）

为了解决碎片化问题，按内存容量一分为二，每次只用其中的一块，当一块存满时候，把存活的对象复制到另外一块上，把已使用的内存块清除。
缺点：内存使用率低。

标记-整理（Mark-Compact）

结合以上两个算法，标记类似于Mark-Sweep，标记后不是清理对象，而是把存活的对象移向内存的一端，把端以外的对象清除。

分代算法

分代算法是目前大多数JVM使用的回收算法，根据对象存活的不同生命周期来划分内存区域，一般化为老年代和新生代，老年代特点每次垃圾回收只有少量对象被回收，新生代特点每次垃圾回收都会有大量对象被回收，这样就可以根据不同区域来选择不同的回收算法。

新生代

目前大多数JVM新生代都是采用复制算法，因为新生代需要回收大部分对象，并不是按照1:1来划分新生代，而是划分为一块较大的Eden空间和两个较小的Survivor空间（from ，to），每次都使用Eden和一部分Survivor区域，当进行回收时，把存活的对象复制到另一块Survivor空间，通过xmn调整新生代大小。

对象优先分配在新生代，大对象直接则进入老年代（设置-xx:PretenureSizeThreshold参数），长期存活的对象进入老年代(设置-xx:MaxTenuringThreshold，默认15次)，为了更加适应程序的内存状态，并不是要求年龄必须到15才会进入老年代，如果在Survivor空间中所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象也可以直接进入老年代。

老年代

老年代存放生命周期比较长的，对象相对稳定，所以采用标记清除或者整理。
Minor GC：当新生代内存不足，回收新生代（Ende区和两个Survivor）内存。
Major GC：清理老年代，一般伴随着一次Minor，效率比Minor要慢。
Full GC：清理整个堆空间，一般调优也就是堆fullGC进行优化，因为它会停止操作，单一线程进行GC。

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