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Java虚拟机(JVM)你只要看这一篇就够了!

发布时间:2019-07-28 15:44 来源:未知 编辑:admin

  根据《Java 虚拟机规范(Java SE 7 版)》规定,Java 虚拟机所管理的内存如下图所示。

  内存空间小,线程私有。字节码解释器工作是就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行指令的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖计数器完成

  如果线程正在执行一个 Java 方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是 Native 方法,这个计数器的值则为 (Undefined)。此内存区域是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

  线程私有,生命周期和线程一致。描述的是 Java 方法执行的内存模型:每个方法在执行时都会床创建一个栈帧(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结束,就对应着一个栈帧从虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

  StackOverflowError:线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度。

  OutOfMemoryError:如果虚拟机栈可以动态扩展,而扩展时无法申请到足够的内存。

  对于绝大多数应用来说,这块区域是 JVM 所管理的内存中最大的一块。线程共享,主要是存放对象实例和数组。内部会划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer, TLAB)。可以位于物理上不连续的空间,但是逻辑上要连续。

  OutOfMemoryError:如果堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,抛出该异常。

  属于共享内存区域,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。

  属于方法区一部分,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。编译器和运行期(String 的 intern() )都可以将常量放入池中。内存有限,无法申请时抛出 OutOfMemoryError。

  OutOfMemoryError:会受到本机内存限制,如果内存区域总和大于物理内存限制从而导致动态扩展时出现该异常。

  遇到 new 指令时,首先检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用,并且检查这个符号引用代表的类是否已经被加载、解析和初始化过。如果没有,执行相应的类加载。

  类加载检查通过之后,为新对象分配内存(内存大小在类加载完成后便可确认)。在堆的空闲内存中划分一块区域(指针碰撞-内存规整或空闲列表-内存交错的分配方式)。

  前面讲的每个线程在堆中都会有私有的分配缓冲区(TLAB),这样可以很大程度避免在并发情况下频繁创建对象造成的线程不安全。

  内存空间分配完成后会初始化为 0(不包括对象头),接下来就是填充对象头,把对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的 GC 分代年龄等信息存入对象头。

  执行 new 指令后执行 init 方法后才算一份真正可用的对象创建完成。

  对象头(Header):包含两部分,第一部分用于存储对象自身的运行时数据,如哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等,32 位虚拟机占 32 bit,64 位虚拟机占 64 bit。官方称为 Mark Word。第二部分是类型指针,即对象指向它的类的元数据指针,虚拟机通过这个指针确定这个对象是哪个类的实例。另外,如果是 Java 数组,对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据,因为普通对象可以通过 Java 对象元数据确定大小,而数组对象不可以。

  实例数据(Instance Data):程序代码中所定义的各种类型的字段内容(包含父类继承下来的和子类中定义的)。

  对齐填充(Padding):不是必然需要,主要是占位,保证对象大小是某个字节的整数倍。

  Java 堆中会分配一块内存作为句柄池。reference 存储的是句柄地址。详情见图。

  比较:使用句柄的最大好处是 reference 中存储的是稳定的句柄地址,在对象移动(GC)是只改变实例数据指针地址,reference 自身不需要修改。直接指针访问的最大好处是速度快,节省了一次指针定位的时间开销。如果是对象频繁 GC 那么句柄方法好,如果是对象频繁访问则直接指针访问好。

  程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈 3 个区域随线程生灭(因为是线程私有),栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈操作。而 Java 堆和方法区则不一样,一个接口中的多个实现类需要的内存可能不一样,一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样,我们只有在程序处于运行期才知道那些对象会创建,这部分内存的分配和回收都是动态的,垃圾回收期所关注的就是这部分内存。

  在进行内存回收之前要做的事情就是判断那些对象是死的,哪些是活的。

  从图中可以看出,如果不下小心直接把 Obj1-reference 和 Obj2-reference 置 null。则在 Java 堆当中的两块内存依然保持着互相引用无法回收。

  通过一系列的 GC Roots 的对象作为起始点,从这些节点出发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时候说明对象不可用。

  前面的两种方式判断存活时都与引用有关。但是 JDK 1.2 之后,引用概念进行了扩充,下面具体介绍。

  SoftReference 类实现软引用。在系统要发生内存溢出异常之前,将会把这些对象列进回收范围之中进行二次回收。

  WeakReference 类实现弱引用。对象只能生存到下一次垃圾收集之前。在垃圾收集器工作时,无论内存是否足够都会回收掉只被弱引用关联的对象。

  PhantomReference 类实现虚引用。无法通过虚引用获取一个对象的实例,为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。

  即使在可达性分析算法中不可达的对象,也并非是“facebook”的,这时候它们暂时出于“缓刑”阶段,一个对象的真正死亡至少要经历两次标记过程:如果对象在进行中可达性分析后发现没有与 GC Roots 相连接的引用链,那他将会被第一次标记并且进行一次筛选,筛选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,或者 finalize() 方法已经被虚拟机调用过,虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。

  如果这个对象被判定为有必要执行 finalize() 方法,那么这个对象竟会放置在一个叫做 F-Queue 的队列中,并在稍后由一个由虚拟机自动建立的、低优先级的 Finalizer 线程去执行它。这里所谓的“执行”是指虚拟机会出发这个方法,并不承诺或等待他运行结束。finalize() 方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会,稍后 GC 将对 F-Queue 中的对象进行第二次小规模的标记,如果对象要在 finalize() 中成功拯救自己 只要重新与引用链上的任何一个对象简历关联即可。

  在堆中,尤其是在新生代中,一次垃圾回收一般可以回收 70% ~ 95% 的空间,而永久代的垃圾收集效率远低于此。

  把空间分成两块,每次只对其中一块进行 GC。当这块内存使用完时,就将还存活的对象复制到另一块上面。

  解决前一种方法的不足,但是会造成空间利用率低下。因为大多数新生代对象都不会熬过第一次 GC。所以没必要 1 : 1 划分空间。可以分一块较大的 Eden 空间和两块较小的 Survivor 空间,每次使用 Eden 空间和其中一块 Survivor。当回收时,将 Eden 和 Survivor 中还存活的对象一次性复制到另一块 Survivor 上,最后清理 Eden 和 Survivor 空间。大小比例一般是 8 : 1 : 1,每次浪费 10% 的 Survivor 空间。但是这里有一个问题就是如果存活的大于 10% 怎么办?这里采用一种分配担保策略:多出来的对象直接进入老年代。

  不同于针对新生代的复制算法,针对老年代的特点,创建该算法。主要是把存活对象移到内存的一端。

  根据存活对象划分几块内存区,一般是分为新生代和老年代。然后根据各个年代的特点制定相应的回收算法。

  老年代中对象存活率较高、没有额外的空间分配对它进行担保。所以必须使用标记 清除或者标记 整理算法回收。

  这是一个单线程收集器。意味着它只会使用一个 CPU 或一条收集线程去完成收集工作,并且在进行垃圾回收时必须暂停其它所有的工作线程直到收集结束。

  指用户线程和垃圾回收线程同时执行(不一定是并行,有可能是交叉执行),用户进程在运行,而垃圾回收线程在另一个 CPU 上运行。

  这是一个新生代收集器,也是使用复制算法实现,同时也是并行的多线程收集器。

  CMS 等收集器的关注点是尽可能地缩短垃圾收集时用户线程所停顿的时间,而 Parallel Scavenge 收集器的目的是达到一个可控制的吞吐量(Throughput = 运行用户代码时间 / (运行用户代码时间 + 垃圾收集时间))。

  作为一个吞吐量优先的收集器,虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息,动态调整停顿时间。这就是 GC 的自适应调整策略(GC Ergonomics)。

  收集器的老年代版本,单线程,使用标记 整理。

  缺点:对 CPU 资源敏感、无法收集浮动垃圾、标记 清除算法带来的空间碎片

  对象主要分配在新生代的 Eden 区上,如果启动了本地线程分配缓冲区,将线程优先在 (TLAB) 上分配。少数情况会直接分配在老年代中。

  发生在老年代的垃圾回收动作,出现了 Major GC 经常会伴随至少一次 Minor GC(非绝对)。Major GC 的速度一般会比 Minor GC 慢十倍以上。

  Java 要求对于主内存和工作内存之间的八个操作都是原子性的,但是对于 64 位的数据类型,有一条宽松的规定:允许虚拟机将没有被 volatile 修饰的 64 位数据的读写操作划分为两次 32 位的操作来进行,即允许虚拟机实现选择可以不保证 64 位数据类型的 load、store、read 和 write 这 4 个操作的原子性。这就是 long 和 double 的非原子性协定。

  是指当一个线程修改了共享变量的值,其他线程也能够立即得知这个通知。主要操作细节就是修改值后将值同步至主内存(volatile 值使用前都会从主内存刷新),除了 volatile 还有 synchronize 和 final 可以保证可见性。同步块的可见性是由“对一个变量执行 unlock 操作之前,必须先把此变量同步会主内存中( store、write 操作)”这条规则获得。而 final 可见性是指:被 final 修饰的字段在构造器中一旦完成,并且构造器没有把 “this” 的引用传递出去( this 引用逃逸是一件很危险的事情,其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象),那在其他线程中就能看见 final 字段的值。

  如果在被线程内观察,所有操作都是有序的;如果在一个线程中观察另一个线程,所有操作都是无序的。前半句指“线程内表现为串行的语义”,后半句是指“指令重排”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。Java 语言通过 volatile 和 synchronize 两个关键字来保证线程之间操作的有序性。volatile 自身就禁止指令重排,而 synchronize 则是由“一个变量在同一时刻指允许一条线程对其进行 lock 操作”这条规则获得,这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行的进入。

  也就是 happens-before 原则。这个原则是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据。先行发生是 Java 内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系。

  如果操作 A 先于 操作 B 发生,操作 B 先于 操作 C 发生,那么操作 A 先于 操作 C

  直接由操作系统内核支持的线程,这种线程由内核完成切换。程序一般不会直接去使用内核线程,而是去使用内核线程的一种高级接口 轻量级进程(LWP),轻量级进程就是我们通常意义上所讲的线程,每个轻量级进程都有一个内核级线程支持。

  处于这种状态的线程也不会分配时间,不过无需等待配其他线程显示地唤醒,在一定时间后他们会由系统自动唤醒。

  线程被阻塞了,“阻塞状态”和“等待状态”的区别是:“阻塞状态”在等待着获取一个排他锁,这个时间将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生;而“等待状态”则是在等待一段时间,或者唤醒动作的发生。在程序等待进入同步区域的时候,线程将进入这种状态。

  在 Java 语言中,类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的。

  以下五种情况必须对类进行初始化(而加载、验证、准备自然需要在此之前完成):

  当初始化一个类的时候,如果发现其父类还没有进行初始化,则需先触发其父类的初始化。

  当虚拟机启动时,用户需指定一个要加载的主类(包含 main() 方法的那个类),虚拟机会先初始化这个主类。

  当使用 JDK 1.7 的动态语言支持时,如果一个hodHandle 实例最后的解析结果 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 的方法句柄,并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化,则需先触发其初始化。

  前面的五种方式是对一个类的主动引用,除此之外,所有引用类的方法都不会触发初始化,佳作被动引用。举几个例子~

  在内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象,作为方法去这个类的各种数据的访问入口。

  数组类的特殊性:数组类本身不通过类加载器创建,它是由 Java 虚拟机直接创建的。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系,因为数组类的元素类型最终是要靠类加载器去创建的,数组创建过程如下:

  如果数组的组件类型不是引用类型,Java 虚拟机会把数组标记为引导类加载器关联。

  数组类的可见性与他的组件类型的可见性一致,如果组件类型不是引用类型,那数组类的可见性将默认为 public。

  类中的字段、方法是否与父类产生矛盾(覆盖父类 final 字段、出现不符合规范的重载)

  保证方法体中的类型转换是有效的(子类对象赋值给父类数据类型是安全的,反过来不合法的)

  符号引用中的类、字段、方法的访问性(private、protected、public、default)是否可被当前类访问

  最后一个阶段的校验发生在迅疾将符号引用转化为直接引用的时候,这个转化动作将在连接的第三阶段解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外(常量池中的各种符号引用)的信息进行匹配性校验,还有以上提及的内容。

  符号引用的目的是确保解析动作能正常执行,如果无法通过符号引用验证将抛出一个 java.lang.IncompatibleClass.ChangeError 异常的子类。如 java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError 等。

  这个阶段正式为类分配内存并设置类变量初始值,内存在方法去中分配(含 static 修饰的变量不含实例变量)。

  这句代码在初始值设置之后为 0,因为这时候尚未开始执行任何 Java 方法。而把 value 赋值为 1127 的 putstatic 指令是程序被编译后,存放于 clinit() 方法中,所以初始化阶段才会对 value 进行赋值。

  从 Java 虚拟机角度讲,只存在两种类加载器:一种是启动类加载器(C++ 实现,是虚拟机的一部分);另一种是其他所有类的加载器(Java 实现,独立于虚拟机外部且全继承自 java.lang.ClassLoader)

  前面两次粗略的阅读,能理解内容,但是很难记住细节。每每碰到不会的知识点就上网查,所以知识点太碎片脑子里没有体系不仅更不容易记住,而且更加容易混乱。但是通过这种方式记录发现自己清晰了很多,就算以后忘记,知识再次捡起的成本也低了很多。

http://jubileeny.net/xianxingsuanfa/417.html
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