个人吐血系列-总结JVM

个人感觉JVM这一块,了解和背的知识点挺多,代码并不是特别多,主要是后期调优,需要大量的经验罢了。不过JVM这一块一定要深刻理解。

大纲图

JVM面试-Ts9oka

类文件结构

概述

在 Java 中,JVM 可以理解的代码就叫做字节码(即扩展名为 .class 的文件),它不面向任何特定的处理器,只面向虚拟机。Java 语言通过字节码的方式,在一定程度上解决了传统解释型语言执行效率低的问题,同时又保留了解释型语言可移植的特点。所以 Java 程序运行时比较高效,而且,由于字节码并不针对一种特定的机器,因此,Java 程序无须重新编译便可在多种不同操作系统的计算机上运行。

可以说.class文件是不同的语言在 Java 虚拟机之间的重要桥梁,同时也是支持 Java 跨平台很重要的一个原因。

类文件总结构

ClassFile {
    u4             magic; // 魔数 Class 文件的标志 这都没话可说的 
    u2             minor_version;//Class 的小版本号
    u2             major_version;//Class 的大版本号
    u2             constant_pool_count;//常量池的数量
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];//常量池 待会说
    u2             access_flags;//Class 的访问标记 
    u2             this_class;//当前类
    u2             super_class;//父类
    u2             interfaces_count;//接口
    u2             interfaces[interfaces_count];//一个类可以实现多个接口
    u2             fields_count;//Class 文件的字段属性
    field_info     fields[fields_count];//一个类会可以有个字段 描述接口或类中声明的变量 但不包括在方法内部声明的局部变量.
    u2             methods_count;//Class 文件的方法数量
    method_info    methods[methods_count];//一个类可以有个多个方法 和字段表性质一样
    u2             attributes_count;//此类的属性表中的属性数
    attribute_info attributes[attributes_count];//属性表集合
}

静态常量池

常量池主要存放两大常量:字面量和符号引用。字面量比较接近于 Java 语言层面的的常量概念,如文本字符串、声明为 final 的常量值等。而符号引用则属于编译原理方面的概念。包括下面三类常量:

  • 类和接口的全限定名
  • 字段的名称和描述符
  • 方法的名称和描述符

常量池的好处:常量池是为了避免频繁的创建和销毁对象而影响系统性能,其实现了对象的共享。

举个例子:字符串常量池,在编译阶段就把所有的字符串文字放到一个常量池中。

  1. 节省内存空间:常量池中所有相同的字符串常量被合并,只占用一个空间。
  2. 节省运行时间:比较字符串时,==比equals()快。对于两个引用变量,只用==判断引用是否相等,也就可以判断实际值是否相等。

静态常量池用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。其中符号引用其实引用的就是常量池里面的字符串,但符号引用不是直接存储字符串,而是存储字符串在常量池里的索引

当Class文件被加载完成后,java虚拟机会将静态常量池里的内容转移到运行时常量池里,在静态常量池的符号引用有一部分是会被转变为直接引用的,比如说类的静态方法或私有方法,实例构造方法,父类方法,这是因为这些方法不能被重写其他版本,所以能在加载的时候就可以将符号引用转变为直接引用,而其他的一些方法是在这个方法被第一次调用的时候才会将符号引用转变为直接引用的。

运行时常量池

运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。对于运行时常量池,Java虚拟机规范没有做任何细节的要求,不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。不过,一般来说,除了保存Class文件中描述的符号引用外,还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

运行时常量池还有个更重要的的特征:动态性。Java要求,编译期的常量池的内容可以进入运行时常量池,运行时产生的常量也可以放入池中。常用的是String类的intern()方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分自然会受到方法区内存的限制,当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

字符串常量池

字符串常量池存在运行时常量池之中(在JDK7之前存在运行时常量池之中,在JDK7已经将其转移到堆中)。

字符串常量池的存在使JVM提高了性能和减少了内存开销。

  1. 每当我们使用字面量(String s=“1”;)创建字符串常量时,JVM会首先检查字符串常量池,如果该字符串已经存在常量池中,那么就将此字符串对象的地址赋值给引用s(引用s在Java栈。如果字符串不存在常量池中,就会实例化该字符串并且将其放到常量池中,并将此字符串对象的地址赋值给引用s(引用s在Java栈中)。
  2. 每当我们使用关键字new(String s=new String(”1”);)创建字符串常量时,JVM会首先检查字符串常量池,如果该字符串已经存在常量池中,那么不再在字符串常量池创建该字符串对象,而直接堆中创建该对象的副本,然后将堆中对象的地址赋值给引用s,如果字符串不存在常量池中,就会实例化该字符串并且将其放到常量池中,然后在堆中创建该对象的副本,然后将堆中对象的地址赋值给引用s。

三者关系

JVM在执行某个类的时候,必须经过加载、连接、初始化,而连接又包括验证、准备、解析三个阶段。

静态常量池用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,而当类加载到内存中后,jvm就会将静态常量池中的内容存放到运行时常量池中。而字符串常量池存的是引用值,其存在于运行时常量池之中。

版本变化

1.6
  • 静态常量池在Class文件中。

  • 运行时常量池在Perm Gen区(也就是方法区)中。(所谓的方法区是在Java堆的一个逻辑部分,为了与Java堆区别开来,也称其为非堆(Non-Heap),那么Perm Gen(永久代)区也被视为方法区的一种实现。)

  • 字符串常量池在运行时常量池中。

1.7
  • 静态常量池在Class文件中。
  • 运行时常量池依然在Perm Gen区(也就是方法区)中。在JDK7版本中,永久代的转移工作就已经开始了,将譬如符号引用(Symbols)转移到了native heap;字面量(interned strings)转移到了java heap;类的静态变量(class statics)转移到了java heap。但是运行时常量池依然还存在,只是很多内容被转移,其只存着这些被转移的引用。网上流传的一些测试运行时常量池转移的方式或者代码,其实是对字符串常量池转移的测试。
  • 字符串常量池被分配到了Java堆的主要部分(known as the young and old generations)。也就是字符串常量池从运行时常量池分离出来了。
1.8
  • 静态常量池在Class文件中。
  • JVM已经将运行时常量池从方法区中移了出来,在Java 堆(Heap)中开辟了一块区域存放运行时常量池。同时永久代被移除,以元空间代替。元空间并不在虚拟机中,而是使用本地内存。因此,默认情况下,元空间的大小仅受本地内存限制。其主要用于存放一些元数据。
  • 字符串常量池存在于Java堆中。

类加载过程

系统加载 Class 类型的文件主要三步:加载->连接->初始化。连接过程又可分为三步:验证->准备->解析

类加载过程

加载

类加载过程的第一步,主要完成下面3件事情:

  1. 通过全类名获取定义此类的二进制字节流
  2. 将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构
  3. 在内存中生成一个代表该类的 Class 对象,作为方法区这些数据的访问入口

加载阶段和连接阶段的部分内容是交叉进行的,加载阶段尚未结束,连接阶段可能就已经开始了。

验证

  • 文件格式验证:主要验证Class文件是否规范等。
  • 元数据验证:对字节码描述的信息语义分析等。
  • 字节码验证:确保语义是ok的。
  • 符号引用验证:确保解析动作能执行。

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段,这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意:

  1. 这时候进行内存分配的仅包括类变量(static),而不包括实例变量,实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在 Java 堆中。
  2. 这里所设置的初始值”通常情况”下是数据类型默认的零值(如0、0L、null、false等),比如我们定义了public static int value=111 ,那么 value 变量在准备阶段的初始值就是 0 而不是111(初始化阶段才会复制)。特殊情况:比如给 value 变量加上了 fianl 关键字public static final int value=111 ,那么准备阶段 value 的值就被复制为 111。

解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用限定符7类符号引用进行。

符号引用就是一组符号来描述目标,可以是任何字面量。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。在程序实际运行时,只有符号引用是不够的,举个例子:在程序执行方法时,系统需要明确知道这个方法所在的位置。Java 虚拟机为每个类都准备了一张方法表来存放类中所有的方法。当需要调用一个类的方法的时候,只要知道这个方法在方发表中的偏移量就可以直接调用该方法了。通过解析操作符号引用就可以直接转变为目标方法在类中方法表的位置,从而使得方法可以被调用。

综上,解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程,也就是得到类或者字段、方法在内存中的指针或者偏移量。

初始化

初始化是类加载的最后一步,也是真正执行类中定义的 Java 程序代码(字节码),初始化阶段是执行类构造器 <clinit> ()方法的过程。

对于<clinit>() 方法的调用,虚拟机会自己确保其在多线程环境中的安全性。因为 <clinit>() 方法是带锁线程安全,所以在多线程环境下进行类初始化的话可能会引起死锁,并且这种死锁很难被发现。

对于初始化阶段,虚拟机严格规范了有且只有5种情况下,必须对类进行初始化:

  1. 当遇到 new 、 getstatic、putstatic或invokestatic 这4条直接码指令时,比如 new 一个类,读取一个静态字段(未被 final 修饰)、或调用一个类的静态方法时。
  2. 使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用时 ,如果类没初始化,需要触发其初始化。
  3. 初始化一个类,如果其父类还未初始化,则先触发该父类的初始化。
  4. 当虚拟机启动时,用户需要定义一个要执行的主类 (包含 main 方法的那个类),虚拟机会先初始化这个类。
  5. 当使用 JDK1.7 的动态动态语言时,如果一个 MethodHandle 实例的最后解析结构为 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、的方法句柄,并且这个句柄没有初始化,则需要先触发器初始化。

类加载器

JVM 中内置了三个重要的 ClassLoader,除了 BootstrapClassLoader 其他类加载器均由 Java 实现且全部继承自java.lang.ClassLoader

  1. BootstrapClassLoader(启动类加载器) :最顶层的加载类,由C++实现,负责加载 %JAVA_HOME%/lib目录下的jar包和类或者或被 -Xbootclasspath参数指定的路径中的所有类。
  2. ExtensionClassLoader(扩展类加载器) :主要负责加载目录 %JRE_HOME%/lib/ext 目录下的jar包和类,或被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径下的jar包。
  3. AppClassLoader(应用程序类加载器) :面向我们用户的加载器,负责加载当前应用classpath下的所有jar包和类。

双亲委派

每一个类都有一个对应它的类加载器。系统中的 ClassLoder 在协同工作的时候会默认使用 双亲委派模型 。即在类加载的时候,系统会首先判断当前类是否被加载过。已经被加载的类会直接返回,否则才会尝试加载。加载的时候,首先会把该请求委派该父类加载器的 loadClass() 处理,因此所有的请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器 BootstrapClassLoader 中。当父类加载器无法处理时,才由自己来处理。当父类加载器为null时,会使用启动类加载器 BootstrapClassLoader 作为父类加载器。

ClassLoader

public class ClassLoaderDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("ClassLodarDemo's ClassLoader is " + ClassLoaderDemo.class.getClassLoader());
        System.out.println("The Parent of ClassLodarDemo's ClassLoader is " + ClassLoaderDemo.class.getClassLoader().getParent());
        System.out.println("The GrandParent of ClassLodarDemo's ClassLoader is " + ClassLoaderDemo.class.getClassLoader().getParent().getParent());
    }
}
// ClassLodarDemo's ClassLoader is sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
// The Parent of ClassLodarDemo's ClassLoader is sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1b6d3586
// The GrandParent of ClassLodarDemo's ClassLoader is null

AppClassLoader的父类加载器为ExtClassLoader
ExtClassLoader的父类加载器为null,null并不代表ExtClassLoader没有父类加载器,而是 BootstrapClassLoader

其实这个双亲翻译的容易让别人误解,我们一般理解的双亲都是父母,这里的双亲更多地表达的是“父母这一辈”的人而已,并不是说真的有一个 Mother ClassLoader 和一个 Father ClassLoader 。另外,类加载器之间的“父子”关系也不是通过继承来体现的,是由“优先级”来决定。

双亲委派的好处

双亲委派模型保证了Java程序的稳定运行,可以避免类的重复加载(JVM 区分不同类的方式不仅仅根据类名,相同的类文件被不同的类加载器加载产生的是两个不同的类),也保证了 Java 的核心 API 不被篡改。如果没有使用双亲委派模型,而是每个类加载器加载自己的话就会出现一些问题,比如我们编写一个称为 java.lang.Object 类的话,那么程序运行的时候,系统就会出现多个不同的 Object 类。

自定义类加载器

除了 BootstrapClassLoader 其他类加载器均由 Java 实现且全部继承自java.lang.ClassLoader。如果我们要自定义自己的类加载器,很明显需要继承 ClassLoader

jvm内存(运行时区域)

1.8之前

参考-JavaGuide-内存区域

1.8之后

参考-JavaGuide-内存区域

按照1.8进行总结

线程私有的:

  • 程序计数器
  • 虚拟机栈
  • 本地方法栈

线程共享的:

  • 直接内存 (非运行时数据区的一部分)

程序计数器

说白了就是

  1. 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令,从而实现代码的流程控制,如:顺序执行、选择、循环、异常处理。
  2. 在多线程的情况下,程序计数器用于记录当前线程执行的位置,从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。

注意:程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域,它的生命周期随着线程的创建而创建,随着线程的结束而死亡。

Java虚拟机栈

与程序计数器一样,Java 虚拟机栈也是线程私有的,它的生命周期和线程相同,描述的是 Java 方法执行的内存模型,每次方法调用的数据都是通过栈传递的。

Java 内存可以粗糙的区分为堆内存(Heap)和栈内存 (Stack),其中栈就是现在说的虚拟机栈,或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

  • 局部变量表
  • 操作数栈
    • 8大基本类型
    • 对象引用:可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置
  • 动态链接
  • 方法出口

Java 虚拟机栈会出现两种异常:StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

  • StackOverFlowError: 若 Java 虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展,那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度的时候,就抛出 StackOverFlowError 异常。
  • OutOfMemoryError: 若 Java 虚拟机栈的内存大小允许动态扩展,且当线程请求栈时内存用完了,无法再动态扩展了,此时抛出 OutOfMemoryError 异常。

Java 虚拟机栈也是线程私有的,每个线程都有各自的 Java 虚拟机栈,而且随着线程的创建而创建,随着线程的死亡而死亡。

Java 栈可用类比数据结构中栈,Java 栈中保存的主要内容是栈帧,每一次函数调用都会有一个对应的栈帧被压入 Java 栈,每一个函数调用结束后,都会有一个栈帧被弹出。

本地方法栈

和虚拟机栈所发挥的作用非常相似,区别是: 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法 (也就是字节码)服务,而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。 其他和Java虚拟机差不多的

Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块,Java 堆是所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此也被称作GC 堆(Garbage Collected Heap).从垃圾回收的角度,由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法,所以 Java 堆还可以细分为:新生代和老年代:再细致一点有:Eden 空间、From Survivor、To Survivor 空间等。进一步划分的目的是更好地回收内存,或者更快地分配内存。

上图所示的 eden 区、s0(“From”) 区、s1(“To”) 区都属于新生代,tentired 区属于老年代。大部分情况,对象都会首先在 Eden 区域分配,在一次新生代垃圾回收后,如果对象还存活,则会进入 s1(“To”),并且对象的年龄还会加 1(Eden 区->Survivor 区后对象的初始年龄变为 1),当它的年龄增加到一定程度(默认为 15 岁),就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值,可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。经过这次GC后,Eden区和”From”区已经被清空。这个时候,”From”和”To”会交换他们的角色,也就是新的”To”就是上次GC前的“From”,新的”From”就是上次GC前的”To”。不管怎样,都会保证名为To的Survivor区域是空的。Minor GC会一直重复这样的过程,直到“To”区被填满,”To”区被填满之后,会将所有对象移动到年老代中。

方法区

方法区与 Java 堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫做 Non-Heap(非堆),目的应该是与 Java 堆区分开来。

JDK 1.8 的时候,方法区(HotSpot 的永久代)被彻底移除了(JDK1.7 就已经开始了),取而代之是元空间,元空间使用的是直接内存。

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有常量池信息(用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用)以及符号引用替换为直接引用。JDK1.8 及之后版本的 JVM 已经将运行时常量池从方法区中移了出来,在 Java 堆(Heap)中开辟了一块区域存放运行时常量池。

直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是虚拟机规范中定义的内存区域,但是这部分内存也被频繁地使用。而且也可能导致 OutOfMemoryError 异常出现。本机直接内存的分配不会受到 Java 堆的限制,但是,既然是内存就会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。

对象创建

参考-JavaGuide-对象创建的过程

  1. 类加载检查,虚拟机遇到一条 new 指令时,首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引用,并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载过、解析和初始化过。如果没有,那必须先执行相应的类加载过程。

  2. 分配内存,在类加载检查通过后,接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定,为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。分配方式“指针碰撞”“空闲列表” 两种,选择那种分配方式由 Java 堆是否规整决定,而 Java 堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定

    1. 内存分配的两种方式:(补充内容,需要掌握)

      • 选择以上两种方式中的哪一种,取决于 Java 堆内存是否规整。而 Java 堆内存是否规整,取决于 GC 收集器的算法是”标记-清除”,还是”标记-整理”(也称作”标记-压缩”),值得注意的是,复制算法内存也是规整的
      • 参考-JavaGuide-内存分配
    2. 内存分配并发问题(补充内容,需要掌握)

      • CAS+失败重试: CAS 是乐观锁的一种实现方式。所谓乐观锁就是,每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。虚拟机采用 CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。
      • TLAB: 为每一个线程预先在 Eden 区分配一块儿内存,JVM 在给线程中的对象分配内存时,首先在 TLAB 分配,当对象大于 TLAB 中的剩余内存或 TLAB 的内存已用尽时,再采用上述的 CAS 进行内存分配
  3. 初始化零值,内存分配完成后,虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值(不包括对象头),这一步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用,程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

  4. 设置对象头,初始化零值完成之后,虚拟机要对对象进行必要的设置,例如这个对象是那个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的 GC 分代年龄等信息。 这些信息存放在对象头中。 另外,根据虚拟机当前运行状态的不同,如是否启用偏向锁等,对象头会有不同的设置方式。

  5. 执行init方法,在上面工作都完成之后,从虚拟机的视角来看,一个新的对象已经产生了,但从 Java 程序的视角来看,对象创建才刚开始,方法还没有执行,所有的字段都还为零。所以一般来说,执行 new 指令之后会接着执行 方法,把对象按照程序员的意愿进行初始化,这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

内存布局

在 Hotspot 虚拟机中,对象在内存中的布局可以分为 3 块区域:对象头实例数据对齐填充

Hotspot 虚拟机的对象头包括两部分信息第一部分用于存储对象自身的自身运行时数据(哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志等等),另一部分是类型指针,即对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是那个类的实例。

实例数据部分是对象真正存储的有效信息,也是在程序中所定义的各种类型的字段内容。

对齐填充部分不是必然存在的,也没有什么特别的含义,仅仅起占位作用。 因为 Hotspot 虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍,换句话说就是对象的大小必须是 8 字节的整数倍。而对象头部分正好是 8 字节的倍数(1 倍或 2 倍),因此,当对象实例数据部分没有对齐时,就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问方式

建立对象就是为了使用对象,我们的 Java 程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式由虚拟机实现而定,目前主流的访问方式有①使用句柄②直接指针两种:

使用句柄

如果使用句柄的话,那么 Java 堆中将会划分出一块内存来作为句柄池,reference 中存储的就是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息;

参考-JavaGuide-句柄

直接指针

如果使用直接指针访问,那么 Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息,而 reference 中存储的直接就是对象的地址。

参考-JavaGuide-直接指针

这两种对象访问方式各有优势。使用句柄来访问的最大好处是 reference 中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针,而 reference 本身不需要修改。使用直接指针访问方式最大的好处就是速度快,它节省了一次指针定位的时间开销。

垃圾回收

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此也被称作GC 堆(Garbage Collected Heap).从垃圾回收的角度,由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法,所以 Java 堆还可以细分为:新生代和老年代:再细致一点有:Eden 空间、From Survivor、To Survivor 空间等。进一步划分的目的是更好地回收内存,或者更快地分配内存。

对象优先在Eden区分配

目前主流的垃圾收集器都会采用分代回收算法,因此需要将堆内存分为新生代和老年代,这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

大多数情况下,对象在新生代中 eden 区分配。当 eden 区没有足够空间进行分配时,虚拟机将发起一次 Minor GC.下面我们来进行实际测试以下。

在测试之前我们先来看看 Minor GC 和 Full GC 有什么不同呢?

  • 新生代 GC(Minor GC):指发生新生代的的垃圾收集动作,Minor GC 非常频繁,回收速度一般也比较快。
  • 老年代 GC(Major GC/Full GC):指发生在老年代的 GC,出现了 Major GC 经常会伴随至少一次的 Minor GC(并非绝对),Major GC 的速度一般会比 Minor GC 的慢 10 倍以上。

大对象直接进入老年代

大对象就是需要大量连续内存空间的对象(比如:字符串、数组)。

为什么要这样呢?为了避免为大对象分配内存时由于分配担保机制带来的复制而降低效率。

长期存活的对象进入老年代

如果对象在 Eden 出生并经过第一次 Minor GC 后仍然能够存活,并且能被 Survivor 容纳的话,将被移动到 Survivor 空间中,并将对象年龄设为 1.对象在 Survivor 中每熬过一次 MinorGC,年龄就增加 1 岁,当它的年龄增加到一定程度(默认为 15 岁),就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值,可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

如何判断对象死亡

参考-JavaGuide-对象死亡

引用计数法

给对象中添加一个引用计数器,每当有一个地方引用它,计数器就加 1;当引用失效,计数器就减 1;任何时候计数器为 0 的对象就是不可能再被使用的。

这个方法实现简单,效率高,但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存,其最主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。 所谓对象之间的相互引用问题,如下面代码所示:除了对象 objA 和 objB 相互引用着对方之外,这两个对象之间再无任何引用。但是他们因为互相引用对方,导致它们的引用计数器都不为 0,于是引用计数算法无法通知 GC 回收器回收他们。

public class ReferenceCountingGc {
    Object instance = null;
    public static void main(String[] args) {
        ReferenceCountingGc objA = new ReferenceCountingGc();
        ReferenceCountingGc objB = new ReferenceCountingGc();
        objA.instance = objB; // 循环引用
        objB.instance = objA; // 循环引用
        objA = null;
        objB = null;
    }
}
可达性分析

这个算法的基本思想就是通过一系列的称为 “GC Roots” 的对象作为起点,从这些节点开始向下搜索,节点所走过的路径称为引用链,当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连的话,则证明此对象是不可用的。

参考-JavaGuide-可达性分析算法

哪些可以作为GC Roots的根

  • 虚拟机栈(栈帧中的局部变量区,也叫局部变量表)中应用的对象。
  • 方法区中的类静态属性引用的对象
  • 方法区中常量引用的对象
  • 本地方法栈中JNI(native方法)引用的对象

在这里就聊一下引用

四大引用

1.强引用(StrongReference)

以前我们使用的大部分引用实际上都是强引用,这是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用,那就类似于必不可少的生活用品,垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足,Java 虚拟机宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误,使程序异常终止,也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足问题。

2.软引用(SoftReference)

如果一个对象只具有软引用,那就类似于可有可无的生活用品。如果内存空间足够,垃圾回收器就不会回收它,如果内存空间不足了,就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它,该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

软引用可以和一个引用队列(ReferenceQueue)联合使用,如果软引用所引用的对象被垃圾回收,JAVA 虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

3.弱引用(WeakReference)

如果一个对象只具有弱引用,那就类似于可有可无的生活用品。弱引用与软引用的区别在于:只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中,一旦发现了只具有弱引用的对象,不管当前内存空间足够与否,都会回收它的内存。不过,由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程, 因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

弱引用可以和一个引用队列(ReferenceQueue)联合使用,如果弱引用所引用的对象被垃圾回收,Java 虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。

4.虚引用(PhantomReference)

“虚引用”顾名思义,就是形同虚设,与其他几种引用都不同,虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用,那么它就和没有任何引用一样,在任何时候都可能被垃圾回收。

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动

虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于: 虚引用必须和引用队列(ReferenceQueue)联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时,如果发现它还有虚引用,就会在回收对象的内存之前,把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用,来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。程序如果发现某个虚引用已经被加入到引用队列,那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

不可达的对象并非“非死不可”

即使在可达性分析法中不可达的对象,也并非是“非死不可”的,这时候它们暂时处于“缓刑阶段”,要真正宣告一个对象死亡,至少要经历两次标记过程;可达性分析法中不可达的对象被第一次标记并且进行一次筛选,筛选的条件是此对象是否有必要执行 finalize 方法。当对象没有覆盖 finalize 方法,或 finalize 方法已经被虚拟机调用过时,虚拟机将这两种情况视为没有必要执行。

被判定为需要执行的对象将会被放在一个队列中进行第二次标记,除非这个对象与引用链上的任何一个对象建立关联,否则就会被真的回收。

如何判断一个常量是废弃常量

运行时常量池主要回收的是废弃的常量。那么,我们如何判断一个常量是废弃常量呢?

假如在常量池中存在字符串 “abc”,如果当前没有任何 String 对象引用该字符串常量的话,就说明常量 “abc” 就是废弃常量,如果这时发生内存回收的话而且有必要的话,”abc” 就会被系统清理出常量池。

如何判断一个类是无用的类

判定一个常量是否是“废弃常量”比较简单,而要判定一个类是否是“无用的类”的条件则相对苛刻许多。类需要同时满足下面 3 个条件才能算是 “无用的类”

  • 该类所有的实例都已经被回收,也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。
  • 加载该类的 ClassLoader 已经被回收。
  • 该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用,无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

虚拟机可以对满足上述 3 个条件的无用类进行回收,这里说的仅仅是“可以”,而并不是和对象一样不使用了就会必然被回收。

垃圾回收算法

标记-清除算法

该算法分为“标记”和“清除”阶段:首先标记出所有需要回收的对象,在标记完成后统一回收所有被标记的对象。它是最基础的收集算法,后续的算法都是对其不足进行改进得到。这种垃圾收集算法会带来两个明显的问题:

  1. 效率问题
  2. 空间问题(标记清除后会产生大量不连续的碎片)
公众号
标记-整理算法

根据老年代的特点提出的一种标记算法,标记过程仍然与“标记-清除”算法一样,但后续步骤不是直接对可回收对象回收,而是让所有存活的对象向一端移动,然后直接清理掉端边界以外的内存。

标记-整理

复制算法

为了解决效率问题,“复制”收集算法出现了。它可以将内存分为大小相同的两块,每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后,就将还存活的对象复制到另一块去,然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的一半进行回收。

公众号

分代收集算法

比如在新生代中,每次收集都会有大量对象死去,所以可以选择复制算法,只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。而老年代的对象存活几率是比较高的,而且没有额外的空间对它进行分配担保,所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集。

垃圾收集器

  • Serial收集器
  • ParNew收集器
  • Parallel Scavenge收集器
  • CMS收集器
  • G1收集器

Serial收集器

Serial(串行)收集器收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。大家看名字就知道这个收集器是一个单线程收集器了。它的 “单线程” 的意义不仅仅意味着它只会使用一条垃圾收集线程去完成垃圾收集工作,更重要的是它在进行垃圾收集工作的时候必须暂停其他所有的工作线程( “Stop The World” ),直到它收集结束。

新生代采用复制算法,老年代采用标记-整理算法。

 Serial 收集器

虚拟机的设计者们当然知道 Stop The World 带来的不良用户体验,所以在后续的垃圾收集器设计中停顿时间在不断缩短(仍然还有停顿,寻找最优秀的垃圾收集器的过程仍然在继续)。

但是 Serial 收集器有没有优于其他垃圾收集器的地方呢?当然有,它简单而高效(与其他收集器的单线程相比)。Serial 收集器由于没有线程交互的开销,自然可以获得很高的单线程收集效率。Serial 收集器对于运行在 Client 模式下的虚拟机来说是个不错的选择。

ParNew收集器

ParNew 收集器其实就是 Serial 收集器的多线程版本,除了使用多线程进行垃圾收集外,其余行为(控制参数、收集算法、回收策略等等)和 Serial 收集器完全一样。

新生代采用复制算法,老年代采用标记-整理算法。

ParNew 收集器

它是许多运行在 Server 模式下的虚拟机的首要选择,除了 Serial 收集器外,只有它能与 CMS 收集器(真正意义上的并发收集器,后面会介绍到)配合工作。

并行和并发概念补充:

  • 并行(Parallel) :指多条垃圾收集线程并行工作,但此时用户线程仍然处于等待状态。
  • 并发(Concurrent):指用户线程与垃圾收集线程同时执行(但不一定是并行,可能会交替执行),用户程序在继续运行,而垃圾收集器运行在另一个 CPU 上。

Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge 收集器也是使用复制算法的多线程收集器,它看上去几乎和ParNew都一样。

Parallel Scavenge 收集器关注点是吞吐量(高效率的利用 CPU)。CMS 等垃圾收集器的关注点更多的是用户线程的停顿时间(提高用户体验)。所谓吞吐量就是 CPU 中用于运行用户代码的时间与 CPU 总消耗时间的比值。 Parallel Scavenge 收集器提供了很多参数供用户找到最合适的停顿时间或最大吞吐量,如果对于收集器运作不太了解的话,手工优化存在困难的话可以选择把内存管理优化交给虚拟机去完成也是一个不错的选择。

新生代采用复制算法,老年代采用标记-整理算法。

Serial Old 收集器

Serial 收集器的老年代版本,它同样是一个单线程收集器。它主要有两大用途:一种用途是在 JDK1.5 以及以前的版本中与 Parallel Scavenge 收集器搭配使用,另一种用途是作为 CMS 收集器的后备方案。

Parallel Old 收集器

Parallel Scavenge 收集器的老年代版本。使用多线程和“标记-整理”算法。在注重吞吐量以及 CPU 资源的场合,都可以优先考虑 Parallel Scavenge 收集器和 Parallel Old 收集器。

CMS收集器

CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。它非常符合在注重用户体验的应用上使用。

CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器是 HotSpot 虚拟机第一款真正意义上的并发收集器,它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程(基本上)同时工作。

从名字中的Mark Sweep这两个词可以看出,CMS 收集器是一种 “标记-清除”算法实现的,它的运作过程相比于前面几种垃圾收集器来说更加复杂一些。整个过程分为四个步骤:

  • 初始标记: 暂停所有的其他线程,并记录下直接与 root 相连的对象,速度很快 ;
  • 并发标记: 同时开启 GC 和用户线程,用一个闭包结构去记录可达对象。但在这个阶段结束,这个闭包结构并不能保证包含当前所有的可达对象。因为用户线程可能会不断的更新引用域,所以 GC 线程无法保证可达性分析的实时性。所以这个算法里会跟踪记录这些发生引用更新的地方。
  • 重新标记: 重新标记阶段就是为了修正并发标记期间因为用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录,这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段的时间稍长,远远比并发标记阶段时间短
  • 并发清除: 开启用户线程,同时 GC 线程开始对为标记的区域做清扫。

CMS 垃圾收集器

从它的名字就可以看出它是一款优秀的垃圾收集器,主要优点:并发收集、低停顿。但是它有下面三个明显的缺点:

  • 对 CPU 资源敏感;
  • 无法处理浮动垃圾;
  • 它使用的回收算法-“标记-清除”算法会导致收集结束时会有大量空间碎片产生。

G1收集器

G1 (Garbage-First) 是一款面向服务器的垃圾收集器,主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器. 以极高概率满足 GC 停顿时间要求的同时,还具备高吞吐量性能特征.

被视为 JDK1.7 中 HotSpot 虚拟机的一个重要进化特征。它具备一下特点:

  • 并行与并发:G1 能充分利用 CPU、多核环境下的硬件优势,使用多个 CPU(CPU 或者 CPU 核心)来缩短 Stop-The-World 停顿时间。部分其他收集器原本需要停顿 Java 线程执行的 GC 动作,G1 收集器仍然可以通过并发的方式让 java 程序继续执行。
  • 分代收集:虽然 G1 可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个 GC 堆,但是还是保留了分代的概念。
  • 空间整合:与 CMS 的“标记–清理”算法不同,G1 从整体来看是基于“标记整理”算法实现的收集器;从局部上来看是基于“复制”算法实现的。
  • 可预测的停顿:这是 G1 相对于 CMS 的另一个大优势,降低停顿时间是 G1 和 CMS 共同的关注点,但 G1 除了追求低停顿外,还能建立可预测的停顿时间模型,能让使用者明确指定在一个长度为 M 毫秒的时间片段内。

G1 收集器的运作大致分为以下几个步骤:

  • 初始标记
  • 并发标记
  • 最终标记
  • 筛选回收

G1 收集器在后台维护了一个优先列表,每次根据允许的收集时间,优先选择回收价值最大的 Region(这也就是它的名字 Garbage-First 的由来)。这种使用 Region 划分内存空间以及有优先级的区域回收方式,保证了 GF 收集器在有限时间内可以尽可能高的收集效率(把内存化整为零)。

如何选择垃圾回收器

  • 单CPU或小内存,单机内存

    -XX:+UseSerialGC

  • 多CPU,需要最大吞吐量,如后台计算型应用

    -XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC

  • 多CPU,最求低停顿时间,需快速相应,如互联网应用

    -XX:+ParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC

参数 新生代垃圾收集器 新生代算法 老年代垃圾收集器 老年代算法
UseSerialGC SerialGC 复制 SerialOldGC 标整
UseParNewGC ParNew 复制 SerialOldGC 标整
UseParallelGC
UseParallelOldGC
Parallel[Scavenge] 复制 Parallel Old 标整
UseConcMarkSweepGC ParNew 复制 CMS+Serial Old的收集器组合(Serial Old 作为CMS出错的后备收集器) 标清
UseG1GC G1整体上采用标整 局部是通过复制算法

JVM调优参数

这里只介绍一些常用的,还有更多的后续讲解…

-Xms128m -Xmx4096m -Xss1024K -XX:MetaspaceSize=512m -XX:+PrintCommandLineFlags -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseSerialGC
  • -Xms:初始大小内存,默认为物理内存1/64,等价于-XX:InitialHeapSize
  • -Xmx:最大分配内存,默认物理内存1/4,等价于-XX:MaxHeapSize
  • -Xss:设置单个线程栈的大小,默认542K~1024K ,等价于-XX:ThreadStackSize
  • -Xmn:设置年轻代的大小
  • -XX:MetaspaceSize:设置元空间大小
  • -XX:+PrintGCDetails:输出详细GC收集日志信息,如[名称:GC前内存占用->GC后内存占用(该区内存总大小)]
  • -XX:SurvivorRatio:设置新生代中Eden和S0/S1空间的比例,默认-XX:SurvivorRatio=8,Eden:S0:S1=8:1:1
  • -XX:NewRatio:设置年轻代与老年代在堆结构的占比,如:默认-XX:NewRatio=2 新生代在1,老年代2,年轻代占整个堆的1/3,NewRatio值几句诗设置老年代的占比,剩下的1给新生代
  • -XX:MaxTenuringThreshold:设置垃圾的最大年龄,默认-XX:MaxTenuringThreshold=15
  • -XX:+UseSerialGC:串行垃圾回收器
  • -XX:+UseParallelGC:并行垃圾回收器