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深入理解java虚拟机（JVM）------一篇过

2023-05-16

JVM——一篇过

发展史（不知道历史的程序员不是一个好秃子）

前身：Oak语言（91年开发消费性电子产品）

java me、java se、java ee

java me：移动终端java程序

java se：桌面级应用

java ee：企业家应用，包含了许多扩展包

JDK、jre、jvm

jvm：java虚拟机是运行java程序的，是实现跨平台

jre：包括jvm和java程序所需的核心类库，主要包含lang包

jdk：提供给开发人员使用的，包含了jre、java开发工具（javac.exe、jar.exe…）

年代史

95年，1.0发布—–>98年jdk1.2即时编译器——>04年jdk1.5（泛型、枚举等）——>08年sun被oracle收购74亿——>14年1.8lambda表达式，彻底移除永久代——>18Androidjava侵权赔88亿(相当公司白送的)

自动内存管理

在这里插入图片描述

程序计数器

线程私有的一个字节码行号指令器，当执行native方法时，为空（唯一一个不报空指针异常）

栈（线程私有）

jvm栈

java方法调用时分配空间存储局部变量等，用完就释放

本地方法栈

执行native方法时分配空间存储变量

堆（线程共享）

存放对象实例（new 对象，静态对象，1.7加入了静态变量和常量池），也是GC管理的区域，也叫GC堆

方法区（线程共享）

存储class、常量、静态变量

jdk1.7时将字符串常量和静态变量移到堆中，jdk1.8废除方法区的概念，改用元空间来存储class

元空间

jdk1.8时出现用来代替方法区的

为什么要用元空间

传统的方法区是占用jvm的内存的，是有内存溢出的风险，但是元空间是占用本地内存，是由电脑的内存决定，所以空间很大，基本不会出现内存溢出的情况

运行时常量池

属于方法区，即在程序运行时将一些常量加载到池中，常用的一种是：String.intern()

直接内存（了解）

不是jvm运行数据区，默认和最大堆内存一样大，在jdk1.4时，引入NIO，NIO利用native方法堆外内存，可以通过DirectByteBuffer对象对直接内存操作，避免了java堆和native堆的来回复制，即Netty（基于NIO实现的）的零拷贝性质

对象的创建（new 对象）

直接上图：类加载后面会讲，别问我怎么设置对象头啥的，有的东西记住就行了，就像我tm抽你，你问为什么，不为什么，你只要知道你被打了就行

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-RO9qq6ys-1626579613814)(C:\Users\liuguangcheng\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210717130246604.png)]

内存分配的两种方式

指针碰撞

假设堆内存左边是利用了的，右边是空闲的，中间有一个指针，分配内存时，将指针向右挪动对象内存大小，当使用Serial、ParNew收集器时（空间压缩整理）用这种内存分配方式

空闲列表

使用的内存和空闲的交错在一起，就需要维护一个列表，当分配内存时，将一个足够容纳对象大小的内存分配给它就行，当使用CMS（清除）收集器时用这种方式分配内存

后面会讲到垃圾收集器！！

对象内存布局

对象头

两部分：

  1. hashcode、GC分代年龄、锁的信息
  2. 堆向指向它的类型元数据的指针

数据部分

不仅包含了自己的数据，还包含了父类继承下来的字段信息

对齐填充（非必然存在）

HotSpot虚拟机要求对象大小是8字节的整数倍，不是的话就要通过对其填充来补全

对象的访问

  1. 句柄访问：通过句柄池找到对象指针，在通过指针找到对象

  2. 直接指针：直接通过对象的指针访问，快速效率高

理解不了？看下面例子

例如：你想找个老婆，你可以找媒婆帮你找一个，你也可以直接找一个，但是呢，结婚以后突然你老婆跑了，那你怎么办，在找一个呗，这时候找媒婆的优势就来了，省时省力，直接叫她在帮你找一个，但是你自己找的老婆呢，就又要自己辛辛苦苦去找

内存溢出（OOM）和内存泄露（ML）

内存泄露：无用对象（垃圾）的内存不释放，导致这部分回收不了，一直占着

内存溢出：在程序申请内存时，内存不够，出现的一种异常，内存泄露的后果就是内存溢出

垃圾收集和内存分配策略

垃圾回收

无用对象的回收叫垃圾回收，怎么判断是不是垃圾呢？

  1. 引用计数算法：对象添加引用计数器，每次有对象引用改对象时，就会+1，引用失效-1，计数为0时就是可以回收的，该算法看是简单，实际却需要很多额外处理，所以基本没有虚拟机用该算法
  2. 可达性分析：通过“GC Roots”作为根节点集，跟据引用链向下搜索，没有在引用链上的对象就是可回收对象

四大引用

  1. 强引用：Object o=new Object()这种，垃圾回收永远不会回收
  2. 软引用：java类中有一个SoftReference来实现软引用，在内存溢出之前会被回收
  3. 弱引用：java提供了WeakReference来实现，垃圾回收时就会回收掉该对象
  4. 虚引用：PhantomReference，唯一的目的是为了在该对象被回收时收到一个通知

回收过程

当判定一个对象是不可达时不会被马上回收掉的，必须经过连个阶段

  1. 不可达判断为true，第一次标记
  2. 对象是否执行了finalize方法，如果执行就代表已经被回收过了，如果没有就放入一个F-Queue，稍后会对queue中第二次标记，将标记两次的对象由一个线程优先级低的Finalizer线程去执行finalize方法回收对象

垃圾回收算法

标记清除算法

标记需要回收的对象后，统一回收

缺点：

  1. 执行效率不稳定，回收对象过多效率会降低
  2. 内存碎片化问题

标记复制算法

将对象回收后的存活对象复制到另一个等大的内存中，将原来的空间清理，在将两块空间对换，该算法多用于新生代回收算法

缺点：对空间的浪费

优点：解决了内存碎片化的问题，且新生代朝生夕灭，存活对象少，所以效率很高

标记整理算法

将对象回收后的空隙进行整理，多用于老年代的回收算法

缺点：整理式对象移动必须全程暂停用户应用程序，否则导致指针混乱，就像你数鸭子，鸭子一直跑，着你怎么数

优点：由于老年代的对象都是老干部，都是经过风吹雨打存活下来的，所以比较少对象会被回收，所以整理的代价还是比较小的

HotSpot算法实现细节

根节点枚举

根节点枚举必须暂停所以线程，可达性分析时，并不需要1个不漏的遍历，HotSpot利用了一个OopMap数据结构来存放对象引用，在特定位置记录栈和寄存器的引用

安全点

OopMap在特定位置记录时的特点位置就是安全点，所以线程执行到安全点后就开始垃圾收集

安全区域

在某一段区域的任意地方进行垃圾收集都时安全的

垃圾回收器

Serial收集器

早期的**“单线程”（新生和老年垃圾回收时暂停所以工作）**新生代垃圾回收器，对于运行在客户端模式的虚拟机时一个不错的选择

ParNew收集器

Serial的多线程（新生代多线程）版本，但是垃圾回收时，依旧需要暂停所以工作

Parallel Scavenge收集器

是一个重吞吐量的新生代多线程垃圾回收器

Serial Old收集器

Serial的老年代版本收集器，也是一个单线程

Parallel Old收集器

多线程Parallel Scavenge的老年代版本，不能和CMS配合

CMS收集器

以最短回收时间停顿的收集器，内存足够时，使用标记清除，不足时用标记整理

过程
  1. 初始标记（停止工作）
  2. 并发标记
  3. 重新标记（停止工作）
  4. 并发清除

G1收集器

面向服务端的全堆垃圾收集器，哪块存放的垃圾最多，回收效益最大，着就是Mixed GC模式

ZGC收集器

利用染色体指针来实现低延迟垃圾回收器

染色体指针：一种可扩展的存储结构用来记录更多与对象标记、重定向过程相关的数据

实战

  1. 对象优先分配在Eden：大多数情况下，对象都是分配在Eden新生代的
  2. 大对象直接进入老年代：大对象的垃圾回收很耗费资源，所以要避免过多大对象进入新生代
  3. 长期存活的对象将进入老年代（默认是年龄15）
  4. 动态对象年龄判定：相同年龄数量大于总数一半，这些相同年龄就应该直接进入老年代，否则可能会导致新生代回收效率低下
  5. 空间分配担保：发生minor GC之前，会去检查老年代可用空间是否大于新生代总对象空间，大于是安全的，根据概率赌不会使老年代空间不够而发生full GC

类加载机制

在这里插入图片描述

特例：解析过程可能会在初始化之后（动态绑定或晚期绑定）

6种情况必须初始化

  1. new 、getstatic、putstatic、、invokestatic指令时
  2. new实例化对象时
    1. 定义该数组类，不会初始化
  3. 对类型进行反射时
  4. 父类为初始化时，先初始化父类
    1. 调用父类的静态变量，子类不会初始化
    2. 使用常量池的变量，不会初始化
  5. 1.8加入default接口实现类初始化，接口也要初始化
  6. 方法句柄没有初始化时

加载

  1. 利用非数组的类的全限类名来获取二进制字节流
  2. 将字节流转换到方法区（1.8之后的元空间）中
  3. 生成一个class

数组类加载：数组类不通过类加载器加载创建，而是直接在内存动态构造

验证

保证class文件字节流符合约束，且不会对jvm造成危害

  1. 文件格式验证
  2. 元数据验证
  3. 字节码验证
  4. 符号引用验证

准备

对static变量初始化并赋原始值（int赋0），而真正的赋值是在构造器中赋值

解析

将常量池的符号引用替换为直接引用

初始化

执行类构造器()方法的过程

类加载器

一个类的全限类名二进制字节流放到jvm外部，让程序直接去获取需要的类

双亲委派机制

每次都会将类给父类加载器去尝试加载，加载不了才会给子类加载

顺序：启动类加载器——>扩展类加载器——>应用程序类加载器——–>自定义类加载器（必须继承抽象类ClassLoader）

img

被破坏过3次

  1. jdk1.2才提出双亲委派机制，所以1.2之前的并不符合
  2. 线程上下文加载器：父类加载器去请求子类加载器完成类加载
  3. 模块化热部署时会破坏

程序编译和代码优化

编译器

  • 前端编译器：javac编译器将.java编译成.class文件
  • 即时编译器：C1、C2，Graal编译器将字节码变成本地机器码
  • 提前编译器：ATO编译器把程序编译成与目标机器指令想关的二进制代码

优化

前端编译器（前端优化）：对代码基本无优化，但是对编码效率和使用等有比较多的优化手段（语法糖等）

即时编译器（后端优化）：几乎大代码有话都放到该阶段完成，运行期优化可使一些可移植class也享受到优化

编译过程

1个准备、3个处理过程

  1. 准备过程：初始化插入注解处理器
  2. 解析填充符号表过程
    • 语法、词法、填充符号表
  3. 插入式注解处理器处理注解过程
  4. 分析与字节码生成过程
    • 静态信息检查、动态运行检查、解语法糖、字节码生成

泛型

Java的实现方式是类型擦除式泛型

类型擦除

  1. 运行期原始泛型派生对原始类型的继承关系
  2. 编译器直接抹除（例：ArrayList —–>ArrayList）
既然抹除了泛型，为什么反射还能取得参数化类型？

答：虽然在字节码抹除了泛型，但是在元数据还是保留了泛型信息

后端编译和优化

即时编译器

作用：将字节码中的**热点代码（多次调用的方法、多次调用的循环体）**编译成本地机器码

  • C1编译器：又叫客户端编译器
  • C2编译器：又叫服务端编译器
  • Graal编译器：JDK10出现来替换C2的编译器，现在不清楚

热点探索

  1. 采样：周期性检查栈顶，经常在栈顶的方法（J9）
  2. 计数器：每次调用就+1（HotSpot）

热度衰减

一定时间内，调用次数不够即时编译器门槛，就会在垃圾回收时随便计数器减半

提前编译器

2分支作用：

  1. 本质时给即时编译器做缓存加速
  2. 静态提前编译（在系统空闲时编译）

即时编译器对提前编译器的优势

  1. 性能分析制导优化：热点代码集中优化和分配更好的资源
  2. 激进预测性优化：性能监控支持概率预测优化
  3. 链接时优化：动态链接

编译器优化技术（前沿技术）

对中间代码或机器码进行代码优化，而不是对源码优化

方法内联

将方法体替换方法调用，增加了代码量，但是减少了地址引用

逃逸分析

对象逃出原本的作用域（return 对象）

公共子表达式消除

表达式计算过，且过程变量不变，则直接使用

数组边界检查消除

1.编译期完成边界检查 2.隐式异常处理

一些普通的优化

常量迭代、算数聚合、符号合并……

Graal编译器

展望替换HotSpot成为一款高效编译、高质量输出、支持即时编译和提前编译、支持不同虚拟机的编译器、继承HotSpot的高质量优化技术

java内存模型（JMM）与线程

硬件效率与一致性

处理器的熟虑与内存的速度根本不是一个等级，这样就限制了我们的效率，所以引入了高速缓存的存储交互（但是带来了缓存一致性问题）

JMM

目的：定义程序中各种变量的访问规则

在这里插入图片描述

怎么解决缓存一致性问题：

在这里插入图片描述

volatile

  1. 可见性：解决内存屏障带来的不可见问题，每次读取之前会去主存中查看最新的值，判断变量是否过期，过期的话就会从主存读取最新的值，每次写操作时将缓存行数据立即写入主存，且让其他其他CPU缓存了改变量的地址无效（简单来说就是每次使用前向主内存主刷新）
  2. 禁止指令重排：在并发的情况下，JVM的指令重排优化可能会对变量的操作产生影响，这是就需要禁止指令重排来避免

内存屏障

由于编译器的优化和缓存的使用，导致对内存的写入操作不能及时的反应出来，也就是说当完成对内存的写入操作之后，读取出来的可能是旧的内容

long、double（64位）的非原子协议

对于64位数据类型，虚拟机会将它的读写操作分为3次32位的操作，这样就不能保证操作的原子性了

例如：两个线程同时去对long或double进行读取和修改，可能即得不到原来的值，也得不到修改后的值

实际开发：除非你明确知道该类型变量有线程竞争，否则没有必要去加volatile关键字

线程实现（了解）

Thread的所以关键方法都声明位Native,即本地方法

三种实现方式

  1. 内核线程实现（1：1）一般不会直接使用内核线程
  2. 用户线程（1：n）：我们常用的Thread线程的建立即与他操作都在用户态完成，不需要内核帮助，程序设计好就不需要切换导内核态，高速低消耗
  3. 混合实现：内有轻量级线程作为桥梁，对状态的切换等提高很多，也可以支持大规模的用户线程并发

状态转换

  • new 创建未使用
  • Runable：
    • Running：运行时
    • Ready：准备运行，等待CPU分配时间片，阻塞状态获取导锁后就进入准备运行状态
  • Waiting：无限等待被其他线程唤醒，在等待池中
  • Timed Waiting：休眠，等时间过来就会苏醒，典型的sleep方法（sleep期间不会释放对象的锁）
  • 阻塞：等待获取一个排他锁，等待线程被唤醒后就加入阻塞状态

线程安全和锁优化

线程安全

当一个线程操作变量时，其他的线程不会对该变量的操作造成影响

  1. 不可变变量：String 、枚举、final修饰的变量、java.lang.Number的部分子类（Long、Double…）
  2. 绝对线程安全：不管什么环境，都是线程安全的
  3. 相对线程安全：大部分线程安全集合类（Vector、hashMap….）等

锁优化

JDK5—->JDK1.6加入了很多的锁优化手段：适应性性自旋、锁消除、锁膨胀、轻量级锁、偏向锁

自旋锁

默认开启，在获取锁失败后，会自旋重试来获取锁

锁消除

对被检测导明确不会存在锁竞争的锁进行锁消除来提高运行效率，锁消除的根据还是逃逸分析技术（前面讲过了）

锁粗化

一串零碎的锁操作对同一个对象，加锁的范围扩展导整个操作序列的外部

轻量级锁

对象头（mark word）记录一些的对象的非数据信息，里面就包含了锁标志等，轻量级锁锁升级后会变成重量级锁

偏向锁

将mark word内的偏向模式设为1，标志位设位01，则是偏向锁状态，锁竞争会锁升级位轻量级锁

具体的锁和并发可看JUC

final修饰的变量、java.lang.Number的部分子类（Long、Double…）
2. 绝对线程安全：不管什么环境，都是线程安全的
3. 相对线程安全：大部分线程安全集合类（Vector、hashMap….）等

锁优化

JDK5—->JDK1.6加入了很多的锁优化手段：适应性性自旋、锁消除、锁膨胀、轻量级锁、偏向锁

自旋锁

默认开启，在获取锁失败后，会自旋重试来获取锁

锁消除

对被检测导明确不会存在锁竞争的锁进行锁消除来提高运行效率，锁消除的根据还是逃逸分析技术（前面讲过了）

锁粗化

一串零碎的锁操作对同一个对象，加锁的范围扩展导整个操作序列的外部

轻量级锁

对象头（mark word）记录一些的对象的非数据信息，里面就包含了锁标志等，轻量级锁锁升级后会变成重量级锁

偏向锁

将mark word内的偏向模式设为1，标志位设位01，则是偏向锁状态，锁竞争会锁升级位轻量级锁

具体的锁和并发可看JUC

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Java

JVM

深入理解

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