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JVM基础总结

分类: 文章 • 2025-04-03 11:47:58

JVM基础总结

文章目录

1、JVM系统架构图

1.1 JVM的主要组成部分

JVM包含两个子系统：

  • Class loader（类装载）

  • Execution engine（执行引擎）

两个组件：

  • **Runtime data area（运行时数据区）：**JVM的内存，包含方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。

  • **Native Interface（本地接口）：**与native libraries交互，是其他编程语言交互的接口。

java程序的运行机制

首先通过编译器把 Java 代码转换成字节码，类加载器（ClassLoader）再把字节码加载到内存中，将其放在运行时数据区（Runtime data area）的方法区内，而字节码文件只是 JVM 的一套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器执行引擎（Execution Engine），将字节码翻译成底层系统指令，再交由 CPU 去执行，如果有调用其他语言的部分，可以通过本地库接口（Native Interface）来实现整个程序的功能。

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2、类加载器

通过类的权限定名获取该类的二进制字节流的代码块。

类加载器分类

  • 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：加载java核心类库。
  • 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：加载java的扩展库。
  • 系统内类加载器（System ClassLoader）：根据java应用的类路径（CLASSPATH）来加载java类。

双亲委派机制

当一个类加载器收到类加载请求时，它首先不会自己去加载这个类，而是将其委派给父类加载器去完成，每一层都如此，这样所有的加载请求都会被传送到顶层的启动类加载器中，如果此时父类无法完成加载请求，子加载器才会尝试去加载类。

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沙箱安全机制

沙箱机制将java代码限定在jvm特定的运行范围内，严格限制代码对本地资源访问，通过这样的措施来保证对代码的有效隔离，防止对本地系统造成破坏。

3、JVM内存（运行时数据区）

java虚拟机内存区域划分

方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器

  • 方法区：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据，是被所有线程共享的。

  • 堆：java虚拟机中内存最大的一块，是被所有线程共享的，存储对象实例的区域（包括静态对象）。

  • 虚拟机栈：用于存储局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等。

  • 本地方法栈：调用native服务的。

  • **程序计数器：**当前线程所执行的字节码的行号指示器，记录方法之间的调用和执行情况。用来存储指向下一条指令的地址，也即为执行的代码

堆和栈区别

  • 栈使用的数据结构里的栈，先进后出，物理地址分配是连续的。

  • 堆在内存中物理地址分配是不连续的，是在运行期确认的，大小不固定。而栈在内存中是连续的，在编译期就确认，大小是固定的。

  • 存放的内容不同，堆中存储的是对象实例，栈主要存储局部变量、操作数栈、返回结果。

队列和栈区别

  • 队列：先进先出
  • 栈：后进先出

内存分配方式

  • 指针碰撞：如果内存规整，把指针往空闲空间移动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”
  • 空闲列表：如果内存不规整，虚拟机必须维护一个列表记录哪些内存是可用的，在分配是从列表找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为“空闲列表”

由java堆是否规整来决定，而java堆是否规整由所采用的垃圾回收器是否带有压缩整理功能决定。

解决对象创建的并发安全问题(保证线程安全方式)

  • 同步处理：采用CAS+失败重试，保证更新操作的原子性
    • CAS：CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值 。否则，处理器不做任何操作。属于乐观锁的一种实现
  • 本地线程分配缓冲：把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间中进行，即在每个线程在java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲

对象实例的访问定位方式

  • 句柄：java堆划分一块内存作为句柄池，引用中存储对象的句柄地址。句柄中包含了对象实例数据和对象类型数据各自的具体地址信息。引用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，而引用本身不需要修改。
  • 直接指针：引用中存储的直就是对象地址，优点是速度更快，可以节省一次指针定位的时间开销。HopSpot就是采用这种方式

内存泄露

  • 内存泄露：不再被使用的对象或变量一直占据在内存中。（长生命周期的对象持有短生命周期对象的引用）

4、垃圾回收器（GC）

在JVM中，有一个垃圾回收线程，它是低优先级的，正常情况下不会执行，只有在虚拟机空闲或当前堆内存不足时，才会自动触发垃圾回收。

回收内存的目的。使java程序员不再需要考虑内存管理的问题，可以有效的防止内存泄露。

垃圾回收：

  • 分代复制垃圾回收
  • 标记垃圾回收
  • 增量垃圾回收

JVM垃圾回收算法（root根搜索方法）

  • 标记-清除算法：标记无用对象，然后进行清除回收。实现简单，不需要对象进行移动，但标记、清除过程效率低，产生大量不连续的内存碎片，提高了垃圾回收的频率。（老年代垃圾回收）
  • 复制算法：把内存空间划分为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域，垃圾回收时，遍历当前使用区域，把正在使用的对象复制到另一个区域中，最后将当前使用的区域的可回收的对象进行回收。（年轻代垃圾回收）
  • 标记-整理算法：结合标记-清除算法和复制算法的优点。第一阶段，从根节点开始标记所有被引用对象，第二阶段遍历整个堆，清除未标记对象，并且把存活对象压缩到堆的其中一块，按顺序排放。（老年代垃圾回收）
  • 分代收集算法：根据对象的存活周期将内存划分为几块，一般为年轻代、老年代和永久代

JVM中的垃圾回收器

  • 新生代：Serial、ParNew、Parallel Scavenge

  • 老年代：CMS、Serial Old、Parallel Old

  • 整堆回收器：G1

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  • Serial收集器（复制算法): 新生代单线程收集器，标记和清理都是单线程，优点是简单高效
  • ParNew收集器 (复制算法): 新生代收并行集器，实际上是Serial收集器的多线程版本，在多核CPU环境下有着比Serial更好的表现；
  • Parallel Scavenge收集器 (复制算法): 新生代并行收集器，追求高吞吐量，高效利用 CPU。吞吐量 = 用户线程时间/(用户线程时间+GC线程时间)，高吞吐量可以高效率的利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，适合后台应用等对交互相应要求不高的场景；
  • Serial Old收集器 (标记-整理算法): 老年代单线程收集器，Serial收集器的老年代版本；
  • Parallel Old收集器 (标记-整理算法)： 老年代并行收集器，吞吐量优先，Parallel Scavenge收集器的老年代版本；
  • CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器（标记-清除算法）： 老年代并行收集器，以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，具有高并发、低停顿的特点，追求最短GC回收停顿时间。
  • G1(Garbage First)收集器 (标记-整理算法)： Java堆并行收集器，G1收集器是JDK1.7提供的一个新收集器，G1收集器基于“标记-整理”算法实现，也就是说不会产生内存碎片。此外，G1收集器不同于之前的收集器的一个重要特点是：G1回收的范围是整个Java堆(包括新生代，老年代)，而前六种收集器回收的范围仅限于新生代或老年代。

分代垃圾回收器工作原理

分代回收器有两个分区：新生代和老年代，新生代默认的空间占1/3，老年代占2/3。新生代使用垃圾回收算法是复制算法，老年代使用标记整理算法，新生代有3个分区：Eden、From Survivor、To Survivor，默认占比8:1:1，执行流程如下：

  • 触发Minor GC，把Eden+From Survivor存活的对象放入To Survivor区

  • 清空Eden和From Survivor分区

  • From Survivor和To Survivor分区交换。

每次在 From Survivor 到 To Survivor 移动时都存活的对象，年龄就 +1，当年龄到达 15（默认配置是 15）时，升级为老生代。大对象也会直接进入老生代。

老生代当空间占用到达某个值之后就会触发全局垃圾收回收（Full GC），一般使用标记整理的执行算法。

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判断对象回收的方法

  • 引用计数器法：为每个对象创建一个引用计数，当计数器为0是就可以被回收，引用被释放时计数-1。缺点是不能解决循环引用的问题。
  • 可达性分析算法：从GC Roots开始向下搜索，所走过的路径为引用链，如果一个对象实例没有任何引用链，则说明该对象可以被回收。

参考文献

  1. Java虚拟机(JVM)面试题（2020最新版）:https://thinkwon.blog.****.net/article/details/104390752

  2. JAVA中的CAS:https://blog.****.net/weixin_37598682/article/details/81285176

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