01 JVM基本概念与内存区域

• 1 基本概念
• 2 内存区域
  • 程序计数器（线程私有）
  • 虚拟机栈（线程私有）
  • 本地方法区（线程私有）
  • 堆（heap线程共享）-- 运行时数据区
    • 新生代
    • 老年代
  • 方法区/永久代（线程共享）
  • Java8与元数据

1 基本概念

• JVM：是可运行Java代码的假想计算机 ，包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域

• 运行过程

  1. Java源文件 --> 编译器 --> 字节码文件
  2. 字节码文件 --> JVM --> 机器码

• 线程

  • JVM 允许一个应用并发执行多个线程。Hotspot JVM 中的 Java 线程与原生操作系统线程有直接的映射关系。当线程本地存储、缓冲区分配、同步对象、栈、程序计数器等准备好以后，就会创建一个操作系统原生线程。Java 线程结束，原生线程随之被回收。操作系统负责调度所有线程，并把它们分配到任何可用的 CPU 上。当原生线程初始化完毕，就会调用 Java 线程的 run() 方法。当线程结束时，会释放原生线程和 Java 线程的所有资源
  • Hotspot JVM后台运行的系统线程

  虚拟机线程（VM thread）	这个线程等待 JVM 到达安全点操作出现。这些操作必须要在独立的线程里执行，因为当堆修改无法进行时，线程都需要 JVM 位于安全点。这些操作的类型有：stop-the-world 垃圾回收、线程栈 dump、线程暂停、线程偏向锁（biased locking）解除
  周期性任务线程	这线程负责定时器事件（也就是中断），用来调度周期性操作的执行。
  GC 线程	这些线程支持 JVM 中不同的垃圾回收活动。
  编译器线程	这些线程在运行时将字节码动态编译成本地平台相关的机器码。
  信号分发线程	这个线程接收发送到 JVM 的信号并调用适当的 JVM 方法处理。

2 内存区域

• 线程私有数据区域生命周期与线程相同, 依赖用户线程的启动/结束 而 创建/销毁(在 Hotspot JVM 内, 每个线程都与操作系统的本地线程直接映射, 因此这部分内存区域的存/否跟随本地线程的生/死对应)
• 线程共享区域随虚拟机的启动/关闭而创建/销毁。
• 直接内存并不是 JVM 运行时数据区的一部分, 但也会被频繁的使用: 在 JDK 1.4 引入的 NIO 提供了基于 Channel 与 Buffer 的 IO 方式, 它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存, 然后使用DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作(详见: Java I/O 扩展), 这样就避免了在 Java堆和 Native 堆中来回复制数据, 因此在一些场景中可以显著提高性能
  

程序计数器（线程私有）

• 一块较小的内存空间, 是当前线程所执行的字节码的行号指示器，每条线程都要有一个独立的计数器
• 计数器记录虚拟机当前执行方法字节码指令的地址；如果是Native方法，则为空
• 是虚拟机中唯一一个没有规定OutOfMenoryError情况的区域

虚拟机栈（线程私有）

• 描述java方法执行的内存模型
• 每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息
• 每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程
• 栈帧
  • 用来存储数据和部分过程结果的数据结构，同时也被用来处理动态链接(Dynamic Linking)、 方法返回值和异常分派（ Dispatch Exception）

本地方法区（线程私有）

• 与Java Stack作用类似
• 区别
  • 虚拟机栈为执行Java方法服务
  • 本地方法区为Native方法服务

堆（heap线程共享）-- 运行时数据区

• 创建的对象和数组都保存在 Java 堆内存中，也是垃圾收集器进行垃圾收集的最重要的内存区域
• 可以细分为新生代（Eden区、from Survivor区和To Survivor区）和老年代
  

新生代

• 是用来存放新生的对象。一般占据堆的1/3空间。由于频繁创建对象，所以新生代会频繁触发MinorGC 进行垃圾回收。新生代又分为 Eden 区、ServivorFrom、ServivorTo 三个区
• MinirGC过程（采用复制算法）
  • 首先，把 Eden和 ServivorFrom区域中存活的对象复制到 ServicorTo区域（如果有对象的年龄以及达到了老年的标准，则赋值到老年代区），同时把这些对象的年龄+1（如果 ServicorTo 不够位置了就放到老年区）
  • 然后，清空 Eden 和 ServicorFrom 中的对象
  • 最后，ServicorTo 和 ServicorFrom 互换，原 ServicorTo 成为下一次 GC 时的 ServicorFrom区

老年代

• 主要存放应用程序中生命周期长的内存对象
• 当无法找到足够大的连续空间分配给新创建的较大对象时也会提前触发一次 MajorGC 进行垃圾回收腾出空间
• MajorGC 采用标记清除算法：首先扫描一次所有老年代，标记出存活的对象，然后回收没有标记的对象
  • MajorGC 的耗时比较长，因为要扫描再回收
  • MajorGC 会产生内存碎片，为了减少内存损耗，我们一般需要进行合并或者标记出来方便下次直接分配
  • 当老年代也满了装不下的时候，就会抛出 OOM（Out of Memory）异常
• Stop The World
  即在 GC（minor GC 或 Full GC）期间，只有垃圾回收器线程在工作，其他工作线程则被挂起。
  一般 Full GC 会导致工作线程停顿时间过长（因为Full GC 会清理整个堆中的不可用对象，一般要花较长的时间），如果在此 server 收到了很多请求，则会被拒绝服务！所以我们要尽量减少 Full GC（Minor GC 也会造成 STW,但只会触发轻微的 STW,因为 Eden 区的对象大部分都被回收了，只有极少数存活对象会通过复制算法转移到 S0 或 S1 区，所以相对还好）
• safe point
  • Full GC（或Minor GC）会影响性能，所以要在一个合适的时间点发起 GC，这个时间点被称为 Safe Point
  • 这个时间点的选定既不能太少以让 GC 时间太长导致程序过长时间卡顿，也不能过于频繁以至于过分增大运行时的负荷。一般当线程在这个时间点上状态是可以确定的，如确定 GC Root 的信息等，可以使 JVM 开始安全地 GC。Safe Point 主要指的是以下特定位置：
    • 循环的末尾
    • 方法返回前
    • 调用方法的 call 之后
    • 抛出异常的位置

方法区/永久代（线程共享）

• 指内存的永久保存区域，主要存放 Class 和 Meta（元数据）的信息,Class 在被加载的时候被放入永久区域，它和和存放实例的区域不同,GC 不会在主程序运行期对永久区域进行清理。所以这也导致了永久代的区域会随着加载的 Class 的增多而胀满，最终抛出 OOM 异常
• 用于存储被 JVM 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
• Class 文件中有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外
• HotSpot VM把GC分代收集扩展至方法区, 即使用Java堆的永久代来实现方法区, 这样 HotSpot 的垃圾收集器就可以像管理 Java 堆一样管理这部分内存,而不必为方法区开发专门的内存管理器(永久带的内存回收的主要目标是针对常量池的回收和类型的卸载, 因此收益一般很小)
• 运行时常量池
  • 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
  • Java 虚拟机对 Class 文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格的规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求，这样才会被虚拟机认可、装载和执行

Java8与元数据

• 在Java8中，永久代已经被移除，被一个称为“元数据区”（元空间）的区域所取代
• 元空间的本质和永久代类似，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。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制
  • 类的元数据放入， native memory, 字符串池和类的静态变量放入 java 堆中，这样可以加载多少类的元数据就不再由MaxPermSize 控制, 而由系统的实际可用空间来控制