深入理解JVM的核心知识点

JVM概述

JVM (JAVA 虚拟机),定义了一套编译、加载、解释执行JAVA代码的规范。基于这套规范市场上不同产品实现,例如Hotspot、JRockit、J9等。

其简易内存体系结构如下:

JVM简易内存体系结构

堆的内存划分

JVM堆内存划分

Java堆的内存划分如图所示,分别为年轻代、Old Memory(老年代)、Perm(永久代)。其中在JDK1.8中,永久代被移除,使用MetaSpace代替。

新生代

  • 使用复制清除算法(Copinng算法),原因是年轻代每次GC都要回收大部分对象。新生代里面分成一份较大的Eden空间和两份较小的Survivor空间。每次只使用Eden和其中一块Survivor空间,然后垃圾回收的时候,把存活对象放到未使用的Survivor(划分出from、to)空间中,清空Eden和刚才使用过的Survivor空间
  • 分为EdenSurvivor FromSurvivor To,比例默认为8:1:1
  • 内存不足时发生Minor GC

老年代

  • 采用标记-整理算法(mark-compact),原因是老年代每次GC只会回收少部分对象

Perm:用来存储类的元数据,也就是方法区

  • Perm的废除:在JDK1.8中,Perm被替换成MetaSpace,MetaSpace存放在本地内存中。原因是永久代进场内存不够用,或者发生内存泄漏
  • MetaSpace(元空间):元空间的本质和永久代类似,都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于:元空间并不在虚拟机中,而是使用本地内存

GC垃圾回收

常见的垃圾回收算法:

Mark-Sweep(标记-清除算法)

  • 思想:标记清除算法分为两个阶段,标记阶段和清除阶段。标记阶段任务是标记出所有需要回收的对象,清除阶段就是清除被标记对象的空间
  • 优缺点:实现简单,容易产生内存碎片

Copying(复制清除算法)

  • 思想:将可用内存划分为大小相等的两块,每次只使用其中的一块。当进行垃圾回收的时候,把其中存活对象全部复制到另外一块中,然后把已使用的内存空间一次清空掉
  • 优缺点:不容易产生内存碎片;可用内存空间少;存活对象多的话,效率低下

Mark-Compact(标记-整理算法)

  • 思想:先标记存活对象,然后把存活对象向一边移动,然后清理掉端边界以外的内存
  • 优缺点:不容易产生内存碎片;内存利用率高;存活对象多并且分散的时候,移动次数多,效率低下

分代收集算法(目前大部分JVM的垃圾收集器所采用的算法)

思想:把堆分成新生代和老年代(永久代指的是方法区)

  • 因为新生代每次垃圾回收都要回收大部分对象,所以新生代采用Copying算法。新生代里面分成一份较大的Eden空间和两份较小的Survivor空间。每次只使用Eden和其中一块Survivor空间,然后垃圾回收的时候,把存活对象放到未使用的Survivor(划分出from、to)空间中,清空Eden和刚才使用过的Survivor空间
  • 由于老年代每次只回收少量的对象,因此采用mark-compact算法
  • 在堆区外有一个永久代。对永久代的回收主要是无效的类和常量

几种不同的垃圾回收类型:

  • Minor GC:从年轻代(包括Eden、Survivor区)回收内存
  • Major GC:清理整个老年代,当Eden区内存不足时触发
  • Full GC:清理整个堆空间,包括年轻代和老年代。当老年代内存不足时触发

JVM优化

1、一般来说,当survivor区不够大或者占用量达到50%,就会把一些对象放到老年区。通过设置合理的eden区,survivor区及使用率,可以将年轻对象保存在年轻代,从而避免full GC,使用-Xmn设置年轻代的大小

2、对于占用内存比较多的大对象,一般会选择在老年代分配内存。如果在年轻代给大对象分配内存,年轻代内存不够了,就要在eden区移动大量对象到老年代,然后这些移动的对象可能很快消亡,因此导致full GC。通过设置参数:-XX:PetenureSizeThreshold=1000000,单位为B,标明对象大小超过1M时,在老年代(tenured)分配内存空间

3、一般情况下,年轻对象放在eden区,当第一次GC后,如果对象还存活,放到survivor区,此后,每GC一次,年龄增加1,当对象的年龄达到阈值,就被放到tenured老年区。这个阈值可以同构-XX:MaxTenuringThreshold设置。如果想让对象留在年轻代,可以设置比较大的阈值

4、设置最小堆和最大堆:-Xmx-Xms稳定的堆大小堆垃圾回收是有利的,获得一个稳定的堆大小的方法是设置-Xms-Xmx的值一样,即最大堆和最小堆一样,如果这样设置,系统在运行时堆大小理论上是恒定的,稳定的堆空间可以减少GC次数,因此,很多服务端都会将这两个参数设置为一样的数值。稳定的堆大小虽然减少GC次数,但是增加每次GC的时间,因为每次GC要把堆的大小维持在一个区间内

5、一个不稳定的堆并非毫无用处。在系统不需要使用大内存的时候,压缩堆空间,使得GC每次应对一个较小的堆空间,加快单次GC次数。基于这种考虑,JVM提供两个参数,用于压缩和扩展堆空间

  • -XX:MinHeapFreeRatio 参数用于设置堆空间的最小空闲比率。默认值是40,当堆空间的空闲内存比率小于40,JVM便会扩展堆空间
  • -XX:MaxHeapFreeRatio 参数用于设置堆空间的最大空闲比率。默认值是70,当堆空间的空闲内存比率大于70,JVM便会压缩堆空间
  • -Xmx-Xms相等时,上面两个参数无效

6、通过增大吞吐量提高系统性能,可以通过设置并行垃圾回收收集器

  • -XX:+UseParallelGC 年轻代使用并行垃圾回收收集器。这是一个关注吞吐量的收集器,可以尽可能的减少垃圾回收时间
  • -XX:+UseParallelOldGC 设置老年代使用并行垃圾回收收集器

7、尝试使用大的内存分页:使用大的内存分页增加CPU的内存寻址能力,从而提升系统的性能。-XX:+LargePageSizeInBytes设置内存页的大小

8、使用非占用的垃圾收集器。-XX:+UseConcMarkSweepGC老年代使用CMS收集器降低停顿

9、-XXSurvivorRatio=3,表示年轻代中的分配比率:survivor:eden = 2:3

10、JVM性能调优的工具:

(1)jps(Java Process Status):输出JVM中运行的进程状态信息(现在一般使用jconsole)
(2)jstack:查看java进程内线程的堆栈信息
(3)jmap:用于生成堆转存快照
(4)jhat:用于分析jmap生成的堆转存快照(一般不推荐使用,而是使用Ecplise Memory Analyzer)
(5)jstat:是JVM统计监测工具。可以用来显示垃圾回收信息、类加载信息、新生代统计信息等
(6)VisualVM:故障处理工具

类加载机制

1、可以在IDEA中Run Configurations –> Configuration –> VM options中设置参数:

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-XX:+TraceClassLoading  //查看类的加载顺序

-XX:MetaspaceSize=2m //设置metaspace的大小

-XX:MaxMetaspaceSize=10m //设置metaspace大小的最大值

2、每一个类的最先加载的三个类

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[Loaded java.lang.Object from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.io.Serializable from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Comparable from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.CharSequence from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.String from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.reflect.AnnotatedElement from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.reflect.GenericDeclaration from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.reflect.Type from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Class from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Cloneable from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.ClassLoader from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.System from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Throwable from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Error from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.ThreadDeath from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Exception from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.RuntimeException from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.SecurityManager from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]

3、类加载器把class文件中的二进制数据读入到内存中,存放在方法区,然后在堆区创建一个java.lang.Class对象,用来封装类在方法区内的数据结构。类加载的步骤如下:

  • 加载:查找并加载类的二进制数据(把class文件里面的信息加载到内存里面)
  • 连接:把内存中类的二进制数据合并到虚拟机的运行时环境中

(1)验证:确保被加载的类的正确性。包括:

A、类文件的结构检查:检查是否满足Java类文件的固定格式
B、语义检查:确保类本身符合Java的语法规范
C、字节码验证:确保字节码流可以被Java虚拟机安全的执行。字节码流是操作码组成的序列。每一个操作码后面都会跟着一个或者多个操作数。字节码检查这个步骤会检查每一个操作码是否合法
D、二进制兼容性验证:确保相互引用的类之间是协调一致的

(2)准备:为类的静态变量分配内存,并将其初始化为默认值

(3)解析:把类中的符号引用转化为直接引用(比如说方法的符号引用,是有方法名和相关描述符组成,在解析阶段,JVM把符号引用替换成一个指针,这个指针就是直接引用,它指向该类的该方法在方法区中的内存位置)

(4)初始化:为类的静态变量赋予正确的初始值。当静态变量的等号右边的值是一个常量表达式时,不会调用static代码块进行初始化。只有等号右边的值是一个运行时运算出来的值,才会调用static初始化。

4、常见的三种类加载器:

  • AppClassLoader–应用类加载器,负责加载我们自己写的类
  • ExtClassLoader–扩展类加载器,负责加载扩展包(jre\lib\ext*.jar)
  • BootstrapClassLoader–根类加载器,负责加载核心包(jre\lib\rt.jar)

5、类加载类的两种方式:显式加载和隐式加载

(1)显式加载

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class classA {
//类加载时可以执行静态代码块,但不一定会执行
static {
System.out.println(11);
}
}

//不会执行静态代码块
loader.loadClass("cn.appblog.ClassLoader.classA");
//会执行静态代码块
Class.forName("cn.appblog.ClassLoader.classA", true, loader);
//不会执行静态代码块
Class.forName("cn.appblog.ClassLoader.classA", false, loader);

(2)隐式加载的时机:默认都会进行初始化

  • 访问类的静态属性时分情况:访问static final修饰的八种基本数据类型和字符串时不会触发类的加载;访问static 修饰的任意属性时都会触发类的加载
  • 访问类的静态方法会触发类的加载
  • 构建类的对象时会触发类的加载

6、类的被动加载与主动加载

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class class1 {
static int a = 100;
static {
System.out.println("class1.static");
}
}

class class2 extends class1 {
static {
System.out.println("class2.static");
}
}

public class TestClassObject {
public static void main(String[] args) {
//class1为主动加载,class2为被动加载(不执行static初始化操作)
System.out.println(class2.a);
}
}
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class1.static
100

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