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java：关于JVM的那些事

分类: 文章 • 2024-02-14 08:46:28

声明：内容大多来源于以下几位大佬的笔记，菜菜的我只是知识的搬运工。是我最近在学习JVM内容时，自己的一个小总结，如果有问题请一定要指出，不然误人子弟就完全背离了我的初心。
https://github.com/Snailclimb/JavaGuide/blob/master/docs/java/jvm/Java内存区域.md //JAVAGUIDE大佬在github上的关于java知识的总结
https://github.com/CyC2018/CS-Notes //又一个git上的开放资源，包含了各种必备基础知识
上面的资源是我在学习过程中发现的比较值得分享的，在这里推荐给大家。

JVM

（1） JAVA内存区域
java：关于JVM的那些事
重点一：
线程私有的：
• 程序计数器
• 虚拟机栈
• 本地方法栈
线程共享的：
• 堆
• 方法区（运行时数据区的一部分，虽然现在被放到了元空间，在直接内存中）
• 直接内存 (非运行时数据区的一部分)
• 2.1 程序计数器
保存的内容：字节码行号，是程序控制流指示器
主要作用：
• 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。
• 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（线程恢复）。 //因此要线程私有
注：JVM中唯一不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域，因为它的空间不会变化，永远只存一个数。生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡。
特点：（1）线程隔离（2）不会outofmemory（3）占用空间小（4）执行native本地方法时，程序计数器的值为空。（原因是native方法是java通过jni调用本地C/C++库来实现，非java字节码实现，所以无法统计）

2.2 Java 虚拟机栈（重点）
特点（1）线程私有，生命周期与线程相同（2）描述java方法执行内存模型

结构：由栈帧组成，每个栈帧拥有：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口。
局部变量表主要存放了编译器可知的各种数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference 类型，它不同于对象本身，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）。

两种错误：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 错误。
• 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 错误。
主要工作方式：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。
Java 方法有两种返回方式：

  1. return 语句。
  2. 抛出异常。
    不管哪种返回方式都会导致栈帧被弹出。
    注：void方法默认最后一行是return； ，可以在代码中显式的写出来，而java.lang.Void是一种变量类型，但是只能存储null。
    2.3 本地方法栈
    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。 在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一。（即不同的JVM可以有不同的实现）

注：其余部分与虚拟机栈完全相同
2.4 堆
（1）虚拟机启动时创建，内存中占比最大（2）线程共享
作用：几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存
为什么是几乎？随着JIT编译期的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化，所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么“绝对”了。从jdk 1.7开始已经默认开启逃逸分析，如果某些方法中的对象引用没有被返回或者未被外面使用（也就是未逃逸出去），那么对象可以直接在栈上分配内存。
注：关于逃逸分析的讲解，重点，要看！
https://blog.****.net/chenxuegui1234/article/details/96726988?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-3.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-3.nonecase
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。
java：关于JVM的那些事
//关于GC在堆的工作方式，如垃圾收集算法，垃圾收集器等，类加载机制，引用等可以参考下面大佬的资源，非常值得一看
https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/Java%20虚拟
机.md

堆这里最容易出现的就是 OutOfMemoryError 错误

  1. OutOfMemoryError: GC Overhead Limit Exceeded ： 当JVM花太多时间执行垃圾回收并且只能回收很少的堆空间时，就会发生此错误。
  2. java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space :假如在创建新的对象时, 堆内存中的空间不足以存放新创建的对象, 就会引发java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 错误。(和本机物理内存无关，和你配置的内存大小有关！)
  3. 。。。。等
    2.5 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（未被加载的被放在磁盘上）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。
    待补充：即时编译问题
    2.5.1 方法区和永久代的关系
    方法区和永久代的关系很像 Java 中接口和类的关系，类实现了接口，而永久代就是 HotSpot 虚拟机对虚拟机规范中方法区的一种实现方式。
    注：方法区是JVM规定必须存在的，用来存放上述信息，实现方式用了永久代的方式，而永久代是一种具体的内存分配策略。

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。
2.5.3 为什么要将永久代 (PermGen) 替换为元空间 (MetaSpace) 呢?

  1. 整个永久代有一个 JVM 本身设置固定大小上限，无法进行调整，而元空间使用的是直接内存，受本机可用内存的限制，虽然元空间仍旧可能溢出，但是比原来出现的几率会更小。
    当你元空间溢出时会得到如下错误： java.lang.OutOfMemoryError: MetaSpace
    你可以使用 -XX：MaxMetaspaceSize 标志设置最大元空间大小，默认值为 unlimited，这意味着它只受系统内存的限制。-XX：MetaspaceSize 调整标志定义元空间的初始大小如果未指定此标志，则 Metaspace 将根据运行时的应用程序需求动态地重新调整大小。
    2.元空间里面存放的是类的元数据，这样加载多少类的元数据就不由 MaxPermSize 控制了, 而由系统的实际可用空间来控制，这样能加载的类就更多了。
    3.在 JDK8，合并 HotSpot 和 JRockit 的代码时, JRockit 从来没有一个叫永久代的东西, 合并之后就没有必要额外的设置这么一个永久代的地方了。
    注：个人认为主要是为了（1）拥有更大的内存空间，减少溢出可能性（默认元空间大小不被限制，动态调整，只跟直接内存大小有关）
    （2）jdk1.8代码合并，JRockit未使用永久代。

2.6 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，还有常量池表（用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用）
字面量和符号引用
原文链接：https://blog.****.net/BraveLoser/article/details/82500474

字面量：几乎所有计算机编程语言都具有对基本值的字面量表示, 诸如: 整数, 浮点数以及字符串; 可以理解为实际值，int a = 8中的8和String a = "hello"中的hello都是字面量。
符号引用：符号引用以一组符号来描述所引用的目标, 符号可以是任何形式的字面量, 只要使用时能够无歧义的定位到目标即可. 例如, 在Java中, 一个Java类将会编译成一个class文件. 在编译时, Java类并不知道所引用的类的实际地址, 因此只能使用符号引用来代替. 比如org.simple.People类引用了org.simple.Language类, 在编译时People类并不知道Language类的实际内存地址, 因此只能使用符号org.simple.Language来表示Language类的地址.
既然运行时常量池是方法区的一部分，自然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 错误。（即其大小也是自动扩展的）
扩展：运行时常量池与字符串常量池的演化历程

  1. JDK1.7之前运行时常量池逻辑包含字符串常量池存放在方法区, 此时hotspot虚拟机对方法区的实现为永久代
  2. JDK1.7 字符串常量池被从方法区拿到了堆中, 这里没有提到运行时常量池,也就是说字符串常量池被单独拿到堆,运行时常量池剩下的东西还在方法区, 也就是hotspot中的永久代 。
  3. JDK1.8 hotspot移除了永久代用元空间(Metaspace)取而代之, 这时候字符串常量池还在堆, 运行时常量池还在方法区, 只不过方法区的实现从永久代变成了元空间(Metaspace)
    2.7 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 错误出现。
    JDK1.4 中新加入的 NIO(New Input/Output) 类，引入了一种基于通道（Channel） 与缓存区（Buffer） 的 I/O 方式，它可以直接使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样就能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。
    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。

Java创建对象的过程（重点）
Step1: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。
Step2: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。分配方式有 “指针碰撞” 和 “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。

内存分配的两种方式：
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
指针碰撞：堆内存规整。把用过的内存整合到一边，未使用内存在另一边，中间就有一个分界指针，从分界处开始分配空间。
GC收集器：serial，parnew
空闲链表：堆内存不规整。空闲链表即将内存中多块连续的空间的大小及位置进行记录，对象分配时，找一块大于等于该对象的空间（一般是空间大小最接近的）进行分配
GC收集器：CMS

内存分配并发问题
在创建对象的时候有一个很重要的问题，就是线程安全，因为在实际开发过程中，创建对象是很频繁的事情，作为虚拟机来说，必须要保证线程是安全的，通常来讲，虚拟机采用两种方式来保证线程安全：
• 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

Step3: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。

Step4: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。

Step5: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。

3.2 对象的内存布局
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、实例数据和对齐填充。
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。

3.3 对象的访问定位

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使用句柄和②直接指针两种：

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；
对象的访问定位-使用句柄
java：关于JVM的那些事
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。
对象的访问定位-直接指针

java：关于JVM的那些事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。

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