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JVM

熟悉JVM架构与GC垃圾回收机制以及相应的堆参调优,有过在linux进行系统调优的经验

一、JVM组成结构谈谈

JVM是运行在操作系统之上的,他与硬件没有直接的交互。

二、JVM体系结构概览

  1. Class Loader类加载器

    负责加载class文件,class文件在文件开头有特定的文件标示,并且ClassLoader只负责class文件的加载,值与他是否可以允许,则由Execution Engine决定

  2. Execution Engine执行引擎 负责解释命令,提交操作系统执行

  3. Native Interface 本地接口

    Java语言本身不能对操作系统底层进行访问和操作,但是可以通过JNI接口调用其他语言来实现对底层的访问。

  4. Native Method Stack 本地方法栈

    java在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native的代码,他的具体做法是Native Method Stack中登记native方法,在Execution Engine执行时加载native libraies。

  5. Runtime Data Area 运行数据区

  6. Method Area方法区

    方法去是被所有线程共享,所有字段和方法字节码、以及一些特殊方法如构造函数,接口代码也在此定义。简单说,所有定义的方法的信息都保存在该区域,==此区属于共享区间==。用来保存装载的类的元结构信息。

    ==静态变量+常量+类信息+运行时常量池存放在方法区==

    ==实例变量存在堆内存中==

  7. PC Register 程序计数器

    每个线程都有一个程序计数器,就是一个指针,指向方法区中的方法字节码(下一个将要执行的指令代码),有执行引擎读取下一条指令,是一个非常小的内存空间,可以忽略不记

    ==栈管运行,堆管存储==

  8. Java Stack 栈

    栈也叫栈内存,主管Java程序的运行,是在线程创建时创建,它的生命期是跟随线程的生命期,线程结束栈内存也就释放,对于栈来说不存在垃圾回收问题,只要线程一结束该栈就Over,生命周期和线程一致,是线程私有的。基本类型的变量、实例方法、引用类型变量都是在函数的栈内存中分配

栈管运行,堆管存储

三、栈(Stak)

栈也叫栈内存,主管Java程序的运行,是在线程创建时创建,它的生命期是跟随线程的生命期,线程结束栈内存也就释放,对于栈来说不存在垃圾回收问题,只要线程一结束该栈就Over,生命周期和线程一致,是线程私有的。基本类型的变量、实例方法、引用类型变量都是在函数的栈内存中分配

3.1 栈存储什么

先进后出,后进先出即为栈

栈帧中主要保存3类数据

  • 本地变量(Local Variables):输入参数和输出参数以及方法内的变量;
  • 栈操作(Operand Stack):记录出栈、入栈的操作;
  • 栈帧数据(Frame Data):包括类文件、方法等。

3.2 栈运行原理

栈中的数据都是以栈帧(Stack Frame)的格式存在,栈帧是一个内存去块,是一个数据集,是一个有关方法(Method)和运行期数据的数据集,

当一个方法A被调用时就产生一个栈帧F1,并被压入到栈中,

A方法调用了B方法,于是产生栈帧F2也被压入到栈,

B方法调用了C方法,于是产生栈帧F3也被压入到栈。。。

执行完毕后,先弹出F3,再弹出F2,再弹出F1.。。。

遵循“先进后出/后进先出”的原则。

图示在一个栈中有两个栈:

栈2是最先被调用的方法,先入栈,

然后方法2调用了方法1,栈帧1处于栈顶的位置,

栈帧2处于栈底,执行完毕后,依次弹出栈帧1和栈帧2,

线程结束,栈释放。

每执行一个方法都会产生一个栈帧,保存到栈(后进先出)的顶部,顶部栈就是当前的方法,该方法执行完毕后会自动将此栈帧出栈。

3.3 判断JVM优化是哪里

主要时优化堆

3.4 三种JVM

  1. Sun公司的HotSpot
  2. BEA公司的JRockit
  3. IBM公司的 J9 VM

四、堆(Heap)

4.1 堆内存示意图

4.2 新生区

新生区是类的诞生、成长、消亡的区域,一个类再这里产生,应用,最后被垃圾回收器收集,结束生命。新生去又分欸两部分:伊甸区(Eden Space)和幸存者区(Survivor Space),所有的类都是再伊甸区被new出来。幸存区又连个:0区和1区。当伊甸园的空间用完是,程序有需要创建对象,JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收(Minor GC),将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。然后将伊甸园区中的生于对象移动到幸存0区,若幸存0区也满了,再对该区进行垃圾回收,然后移动到1区。如果1区也满了,再移动到养老区。若养老区也满了,那么这时候将产生MajorGC(FullGC),进行养老区的内存清理。若养老区执行了FullGC后发现依然无法进行对象保存,就会产生OOM异常(OutOfMemoryError)。

  • 如果出现java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space异常,说明java虚拟机的堆内存不够。原因有二:

    1. Java虚拟机的对内存设置不够,可以通过参数-Xms、-Xmx来调整

      默认最大内存是机器的四分之一大小

    2. 代码中创建了大量大对象,并且长时间不能被垃圾收集器收集(存在被引用)

==JDK1.8之后,永久代取消了,由元空间取代==

4.3 养老区

养老区用于保存从新生区筛选出来的JAVA对象,一般池对象都在这个区域活跃。

4.4 永久区

永久存储区是一个常驻内存区域,用于存放JDK滋生所携带的Class,Interface的元数据,也就是说它存储的是运行环境必须的类信息,被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的,关闭JVM才会释放此区域所占用的内存。

  • 如果出现java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space,说明是Java虚拟机对永久带Perm内存设置不够,一般出现这种情况,都是程序启动需要加载大量的第三方jar包。例如在一个Tomcat下部署了太多的应用。或者大量动态反射生成的类不断被加载,最终导致Perm区被沾满。
    • Jdk1.6之前:有永久代,常量值1.6在方法区
    • Jdk1.7:有永久代,但已经逐步“去永久代”,常量池1.7在堆
    • Jdk1.8之后:无永久代,常量池1.8在元空间

4.5 小总结

逻辑上堆由新生代、养老代、元空间构成、实际上堆只有新生和养老代;方法区就是永久代,永久代是方法区的实现

  • 方法去(Method Area)和堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储虚拟机加载的类信息、普通常量、静态常量、编译器编译后的代码等,虽然JVM规范将方法去描述为堆的一个逻辑部分,但他却还有一个别名叫做Non-Heap(非堆),目的就是要和堆分开。
  • 对于HotSpot虚拟机,很多开发者习惯将方法区成为“永久代”,但严格本质上说两者不同,或者说使用永久代来实现方法区而已,永久代是方法区(相当于一个接口Interface)的一个实现,JDK1.7的版本中,已经将原本放在永久代的字符串常量池移走。
  • 常量池(Constant Pool)是方法区的一部分,Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息就是常量池,这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放

五、JVM垃圾收集(Java Garbage Collection)

5.1 堆内存调优简介

-Xms 设置初始分配大小,默认为物理内存的“1/64”
-Xmx 最大分配内存,默认为物理内存的“1/4”
-XX:+PrintGCDetails 输出详细的GC处理日志

七、GC三大算法

7.1 GC算法总体概述

JVM在进行GC时,并非每次都对上面三个内存区域一起回收的,大部分时候回收的都是指新生代。

因此GC按照回收的区域又分了两种类型,一种是普通GC(MinorGC),一种时全局GC(FullGC)

  • 普通GC:只针对新生代区域的GC
  • 全局GC:针对年老代的GC,偶尔伴随对新生代的GC以及堆永久代的GC。

7.2 复制算法:MinorGC(普通GC)

新生代使用的MinorGC,这种GC算法采用的是复制算法(Copying),频繁使用

复制-->清空-->互换

7.2.1 原理

MinorGC会把Eden中的所有或的对象都移到Survivor区域中,如果Survivor区中放不下,那么剩下的活的对象就被移到Old Generation中,也即一旦收集后,Eden区就变成空的了。

当对象在Eden(包括一个Survivor区域,这里假设是from区域)出生后,在经过一次MinorGC后,如果对象还存活,并且能够被另外一块Survivor区域所容纳(上面已经假设为from区域,这里应为to区域,即to区域又足够的内存空间来存储Eden和from区域中存活的对象),则使用复制算法将这些仍然还存活的对象复制到另外一块Survivor区域(即to区)中,然后清理所有使用过的Eden以及Survivor区域(即from区),并且讲这些对象的年龄设置为1,以后对象在Survivor区没熬过一次MinorGC,就将对象的年龄+1,当对象的年龄达到某个值时(默认15,通过-XX:MaxTenuringThreshold来设定参数),这些对象就会成为老年代。

==-XX:MaxTenuringThreshold设置对象在新生代中存活的次数==

7.2.2 解释

HotSpot JVM把年轻代分为了三部分:1个Eden区和两个Survivor区,默认比例是8:1:1,一般情况下,新创建的对象都会被分配到Eden区,这些对象经过第一次的MinorGC后,如果仍然存活,将会被移到Survivor区。对象Survivor区中每熬过一次MinorGC,年龄就增加一岁,当他的年龄增加到一定程度时,就会被移动到年老代中。因为年轻代中的对象基本都是朝生夕死(80%以上),所以在年轻代的垃圾回收算法使用的是复制算法,复制算法的基本思想就是将内存分为两块,每次只用其中一块,当这一块内存用完,就将活着的对象复制到另外一块上面。复制算法不会产生内存碎片。

==复制要交换,谁空谁是to==

7.3.3 劣势

复制算法弥补了标记清除算法中,内存布局混乱的缺点。

  1. 浪费了一般的内存,太要命了
  2. 如果对象的存活率很高,我们可以极端一点,假设是100%存活率,那么我们需要将所有对象都复制一遍,并将所有引用地址重置一遍。复制这一工作所花费的时间,在对象存活率达到一定程度是,将会变的不可忽视。所以从以上描述不难看出,复制算法想要使用,最起码对象的存活率要非常低才行,而且最重要的是,我们必须要客服50%的内存的浪费

7.3 标记清除/标记整理算法:FullGC又叫MajorGC(全局GC)

老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现

7.3.1 标记清除(Mark-Sweep)

7.3.1.1 原理

  1. 标记(mark)

    从根集合开始扫描,对存活的对象进行标记

  2. 清除(Sweep)

    扫描整个内存空间,回收未被标记的对象,使用free-list记录可以区域。

7.3.1.2 劣势

  1. 效率低(递归与全堆对象遍历),而且在进行GC的时候,需要停止应用程序,这会导致用户体验非常差劲
  2. 清理出来的空闲内存不是连续的,我们的死亡对象都是随机的出现在内存的各个角落,限制把他们清除之后,内存的布局自然会乱七八糟,而为了应付这一点,JVM不得不维持一个内存的空闲列表,这又是一种开销,而且在分配数组对象的时候,寻找连续的内存空间会不太好找。

7.3.2 标记整理(Mark-Compact)

7.3.2.1 原理

  1. 标记

    与标记-清除一样

  2. 压缩整理

    再次扫描,并往一段滑动存活对象

7.3.2.2 劣势

效率不高,不仅要标记所有存活对象,还要整理所有存活对象的引用地址。从效率上说,效率要低于复制算法

7.4 小总结

  • 内存效率:复制算法>标记清除算法>标记整理算法
  • 内存整齐度:复制算法=标记整理算法>标记清除算法
  • 内存利用率:标记整理算法=标记清除算法>复制算法

分代收集算法

引用计数法:

  • 缺点:每次对对象赋值时均要维护引用计数器,且计数器本身也有一定的消耗
  • 较难处理循环引用

六、GC面试题

  1. StackOverFlowError和OutOfMemoryError,谈谈你的理解

  2. 一般什么时候会发生GC?如何处理?

    答:Java中的GC回有两种回收:年轻带的MinorGC,老年代的FullGC;新对象创建时如果伊甸园空间不足会触发MinorGC,如果此时老年代的内存空间不足会触发FullGC,如果空间都不足抛出OutOfMemoryError。

  3. GC回收策略,谈谈你的理解

    答:年轻代(伊甸园区+两个幸存区),GC回收策略为“复制”;老年区的保存空间一般比较大,GC回收策略为“整理压缩”。

  4. GC是什么

    频繁收集Young区,较少收集Old区,基本不动Perm区

  5. JVM内存模型以及分区,需要详细到每个区放什么

  6. 堆里面的分区:Eden,suirival from to,老年代,各自特点

  7. GC的三种收集方法:标记清除、标记整理、复制算法的原理特点

  8. MinorGC和Full GC分别在什么时候发生

本文由【一只小青蛙】发布于开源中国,原文链接:https://my.oschina.net/u/3915790/blog/3068037

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