Jvm知识整理

JVM知识整理

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。学习JVM，先了解一些相关名词，字节码指令集、寄存器、栈、堆、存储方法域。

JVM内存模型

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java文件经过编译后产生.class文件，也就是字节码文件，而字节码文件通过java虚拟机中解释器，编译成特定机器上的机器码。每一种平台的解释器是不同的，但实现的虚拟机是相同的，所以java能够实现跨平台运行。一个程序开始启动时，虚拟机就开始了实例化。多个程序启动，就会存在多个虚拟机实例，且多个虚拟机之间数据不能够共享。程序退出或者关闭，虚拟机就会消亡。

jvm内存区域

1. 运行时数据区
   包括：方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。

   方法区、堆 线程共享。
   虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器 线程私有。

   方法区，就是我们常说的永久代，用于存放被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。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（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），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。 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。

   堆，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。由于现代 VM 采用分代收集算法, 因此 Java 堆从 GC 的角度还可以细分为: 新生代(Eden 区、From Survivor 区和 To Survivor 区)和老年代。
   虚拟机栈，是描述java方法执行的内存模型，每个方法在执行的时候，都会创建一个栈针（stack frame），栈针用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、指向运行时常量池的引用。方法从调用到执行完成的过程，就是一个栈针在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
   栈针是用来存储数据和部分过程结果的数据结构。

   本地方法栈，和java stack作用类似，区别是虚拟机栈执行java方法，而本地方法栈执行native方法。如果一个VM实现使用C-linkage模型来支持native调用，那么该栈将会是一个C栈，但HotSpot VM直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

   程序计数器，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。每个线程都有一个独立的程序计数器。如果正在执行的是java方法的话，程序计数器记录的是虚拟机字节码指令的地址。如果是native方法的话，记录为空。程序计数器是在虚拟机中唯一没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2. 执行引擎
   包括：即时编译器、垃圾收集

3. 本地库接口

4. 类加载子系统

5. 本地方法库

jvm运行时内存

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java堆从GC的角度可以细分为：新生代(Eden区、From Survivor区、To Survivor区)和老年代。
新生代，是用来存放新创建对象的。一般占据堆的1/3空间。因为频繁创建对象，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。

Eden区：java新建对象的出生地（但新建的对象占用内存很大，就会直接分配到老年代）。当Eden区内存不够时，会触发MinorGC，对新生代进行一次垃圾回收。
ServivorFrom区：上一次GC的幸存者，作为本次GC的被扫描对象。
ServivorTo区：保留了一次GC过程中的幸存者。

MinorGC的过程（复制->清空->互换）
MinorGC采用复制算法。
Eden、ServivorFrom复制到ServivorTo区，年龄+1
首先，把Eden和ServivorFrom区域中存活的对象复制到ServivorTo区域，同时把这些对象的年龄+1。在复制的过程中，有两种情况会放入到老年区：有对象的年龄达到了老年的标准，就复制到老年区。ServivorTo区放不下了，就放到老年区。
清空eden、ServivorFrom区
ServivorTo区和ServivorFrom区互换
servivorTo和servivorFrom区互换，原servivorTo成为下一次GC时的servivorFrom区。

老年代，存放生命周期长的内存对象。
老年代对象比较稳定，所以MajorGC不会频繁执行。在进行MajorGC前一般都先进行了一次MinorGC，从而使有些新生代的对象直接分配到老年代，从而导致空间不够用时触发MajorGC。当无法找到足够大的连续空间分配给新建的较大的对象时，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：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，为了减少内存耗损，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时，就会抛出OOM（Out of Memory）异常。

永久代，指内存的永久保存区域，主要存放Class和Meta（元数据）的信息，Class在被加载的时候放入永久区。它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。
在java8中，永久代已经被移除，被元数据区（元空间）的区域取代。元空间本质和永久代类似，元空间和永久代之间的区别在于：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，字符串和类的静态变量放入java堆中，这样就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。

垃圾回收与算法

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如何确定垃圾：
引用计数法，在java中，引用和对象是有关联的，如果要操作对象就必须用引用进行。因此，通过引用计数来判断一个对象是否可以回收。简单说，如果一个对象引用计数为0，那么这个对象就是可回收对象。

可达性分析法，为了解决引用计数法的循环引用问题，java使用了可达性分析法。通过一系列的“GC roots”对象作为起点搜索，如果在“GC roots”和一个对象之间没有可达路径，则称为该对象是不可达的。不可达对象不等价于可回收对象，不可达对象变为可回收对象至少要经过两次标记过程，两次标记后仍然是可回收对象，则将面临回收。

标记清除算法，分为两个阶段，标注和清除。标记阶段标记出所有要回收的对象，清除阶段回收被标记的对象所占用的空间。算法最大的问题是内存碎片话严重，后续可能发生大对象不能找到可利用的空间问题。

复制算法，为了解决标记清除算法内存碎片话的缺陷而被提出的算法。按内存容量将内存划分为等大小的两块，每次只使用其中一块，当这一块内存满后将尚存活的对象复制到另一块，把已使用的内存清掉。这种算法虽然实现简单，内存效率高，不易产生碎片，但是最大问题是可用内存被压缩到了原本的一半，且存活对象增多的话，复制算法的效率会大大降低。

标记整理算法，结合以上两种算法，为了避免缺陷而提出。标记阶段和标记清除算法相同，标记后不是清除对象，而是将存活对象移向内存的一端，然后清除端边界外的对象。

分代收集算法，分代收集法是大部分JVM所采用的方法，核心思想就是根据对象存活的不同生命周期将内存划分为不同的区域。一般情况下将GC堆划分为老生代和新生代。老生代的特点是每次垃圾回收时，只有少量对象需要回收，新生代的特点是每次垃圾回收时，都有大量垃圾需要被回收，因此可以根据不同区域选择不同的算法。