Java 虚拟机总结

2018-05-19 8 分钟阅读时长   3896 字 Java
jvm

JVM(Java虚拟机)

JVM 是 JRE 包含的 Java 程序运行所需的程序，屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，通用一份 jar 包。 另外，JVM还提供了内存管理的功能，使得开发人员无需关心底层内存如何管理。

https://www.youtube.com/watch?v=ZBJ0u9MaKtM

类加载机制

Java虚拟机的类加载有加载 (load)、链接 (link)、初始化 (initialize) 三个步骤

当一个类被实例化时或者类中静态方法被调用时将进行类加载

加载

将不同的类数据源以字节码的形式加载到内存中以供类加载器使用，数据的来源可以是 jar 包、class 类、网络数据，一个类数据有且只有一个存在于一个类加载器中。

正常的类加载是以双亲委任机制，不同的类加载器是以继承的方式链接的，当通过某个类加载器加载一个类数据时，当这个类加载器存在父类加载器时，那么它会先从父类加载器中寻找类数据，不存在再在自身中寻找，并且父类也是遵循这个机制。

Tomcat的类加载器重写了这个加载机制，会优先在自身中查找，这跟Tomcat所加载类的所在位置有关。

链接

链接包含了验证、准备、解析三个步骤

  1. 验证确保了类加载的正确性，它校验了字节码数据是符合Class类规范，常量类型是否支持，语义分析，分析数据流和控制流校验程序语义，符号引用校验。

  2. 准备环节是为一个类的静态域分配内存空间，并赋予零值。

  3. 解析负责转化类中的符号引用，将类引用转换为直接引用，将类中的常量值转换为常量池中引用。

如果类字段的字段属性为 ConstantValue，即同时被 final 、static 修饰的基础类型数据，并且在定义时即赋值，如 static final String CONSTANT_COMPILE = "java";，那么在准备阶段变量就会被初始化为属性所指定的值。

初始化

对类的静态域赋予正确的初始值，执行静态代码块为赋值静态域。

异常

  • ClassNotFoundException 这种错误是发生在加载环节，当一个类在双亲委任机制中无法获取到时，便会抛出此异常。常见情景是依赖包的冲突。

  • NoClassDefFoundError 这个错误主要是发生在链接环节的解析中，当一个类的静态域引用至另一个类中的属性，而这个类无法获取时，那么虚拟机就会抛出此异常。

运行时数据区域

Java 虚拟机在运行程序的过程中把内存数据划分为不同的区域

线程隔离的(指令区)

  • 程序计数器：指向线程下一个执行的指令的地址(本地指针或者起始指令的偏移量)，当执行的是本地方法时为 undefined。 许多操作都需要依赖程序计数器来完成，例如在时间片抢占后切换线程能够恢复到正确的位置。

  • 虚拟机栈：包含了线程生命周期的方法调用，一个 Java 方法调用即为一个栈帧，根据调用顺序压入线程栈空间。 栈帧存储当前线程运行方法所需要的局部变量表（基本数据类型、对象引用）、操作数栈、动态链接、方法返回地址，保证了多线程下调用方法的隔离性。

  • 本地方法区：与虚拟机栈作用相似，区别是执行 native 方法。

线程共享的(数据区)

  • 方法区／元空间 (MetaSpace)：存放类信息、静态域数据(对象实例存于堆中)、类编译期间生成的各种字面量和符号引用、字节码、JIT 编译后的机器码、动态代理产生的数据，使用本地内存存储，几乎不会被回收。

  • 堆 (Heap)：运行时常量池、对象实例域，是垃圾收集管理的主要区域。可分为新生代、老年代。

  • 直接内存：用于 NIO 数据交换的内存空间，只受实际内存及 JVM 参数限制。

内存溢出

内存溢出是由于虚拟机空间分配失败所导致的致命性错误。

  • 方法栈 (StackOverFlowError) 常见原因有递归或大循环调用方法导致栈帧数量过多、线程内定义大量的本地变量。

  • 堆 (OutOfMemoryError) 常量池溢出、线程持续占有对象都将可能导致堆溢出。

  • 方法区 (OutOfMemoryError) 主要原因为动态创建大量的类，并且卸载无法满足新的元类存储。

执行引擎

解释器 (Interpreter)

解释字节码，执行相应的命令

分析器 (Hotspot profiler)

将频繁调用的热点方法编译成与本地平台相关的机器码

JIT (即时编译器)

优化解释器，将字节码翻译成本地平台相关的机器码执行 常见的 JIT 有 C1、C2，在 Java10 引入 Graal

常见的 JIT 优化手段有

  • 公共子表达式消除 当一个大表达式已经被计算过后，再次出现已经包含了的表达式则不必重新计算，直接用结果代替。

  • 数组边界检查消除 消除大循环体内对元素越界检查

  • 方法内联 将频繁调用方法替换为调用方法代码

  • 逃逸分析 当开启了标量替换 (-XX:+EliminateAllocations) 和逃逸分析 (-XX:+DoEscapeAnalysis) 后，会对线程栈内的对象进行分析，将只存活于栈帧内的可分解对象进行基础类型数据替换处理。

  • 同步消除 (-XX:+EliminateLocks) 在开启逃逸分析和 -server 模式后，将会对无多线程竞争的锁进行消除。

  • 优化技术

编译器策略：延迟编译，分层编译，栈上替换，延迟优化，程序依赖图表示，静态单赋值表示。

基于性能监控的优化技术：乐观空值断言，乐观类型断言，乐观类型增强，乐观数组增强，裁剪未被选择的分支，乐观的多态内联。分支频率预测，调用频率预测

基于证据的优化技术：精确性推断，内存值推断，内存值跟踪，常量折叠，重组，操作符退化，空值检查消除。类型检测退化，类型检测消除，代数化简，公共子表达式消除

数据流敏感重写：条件常量传播，基于六承载的类型缩减转换，无用代码消除

语言相关的优化技术：类型继承关系分析，去虚拟机化，符号常量传播，自动装箱，消除逃逸分析，锁消除，锁膨胀，消除反射

内存及代码位置交换：表达式提升，表达式下沉，冗余存储消除，相邻存储合并，交汇点分离

循环变换：循环展开，循环剥离，安全点消除，迭代分离，范围检查消除

局部代码调整：内联，全局代码提升，基于热度的代码分离，Switch 调整

控制流图变换：本地代码编排，本独代码封包，延迟槽填充，着色图寄存器分配，线性扫描寄存器分配，复写聚合，常量分裂，复写移除，地址模式匹配。指令窥孔优化，基于确定有限状态机的代码生成

  • Graal [jdk10] 启动方式 -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseJVMCICompiler

GC(垃圾收集器)策略

Java虚拟机在运行时会产生大量的对象，有些对象将不会再被使用，为了使内存不被这些无用的对象占用，垃圾收集器就需要分析出已经死亡的对象，将其所用空间回收。

虚拟机从一部分称为 GC Roots 的节点开始搜索引用链，找出存活的引用 (并非特指对象)，对其余对象标记为虚引用，准备下一阶段进行回收释放内存空间。对重写了 finilize() 方法对象封装并放入队列中，在 GC 结束后单线程执行方法后移除。

Serial

标记清除整理 算法，单线程进行垃圾回收，无上下文切换开销，但 cpu 利用率较低，并且无法与应用线程并行进行。

Parallel

基于吞吐量优先的并行收集器，对年轻代使用 标记复制 算法，对老年代使用 标记清除整理 算法，适用于多核处理器，有效利用系统资源。

CMS(Concurrent Mark Sweep)

以 标记清除 算法为基础，以响应时间优先的并发收集器，对年轻代使用 标记复制 算法，对老年代使用 标记清除 算法。 使用 空闲空间列表 来管理老年代内存，在老年代 GC 阶段大部分工作可以与应用线程并发执行，并且可在老年代空间内存利用率达到阀值时触发 CMS GC。

收集工作分为数个阶段：初始标记、并发标记、并发预清理、并发可取消的预清理、最终标记、并发清除、并发重置

CMS 由于不进行内存整理容易造成老年代内存碎片，并且当堆内存较大时，可能产生不可预估的暂停时间。

G1(Garbage-First)

以 复制 算法为基础，为了能够得到良好的停顿时间而产生的一款实时收集器。 将内存空间以块 (Region) 进行分配空间，一般划分 2048 个，优先回收大垃圾的回收机制。使用空闲空间列表来管理所有内存。

虚拟机在分配空间时会选定一个 Region(TLAB将分别指定一个Region)，当 Region 的剩余空间不足以分配对象或者小于最小可空间时，将重新指定下一个 Region 分配空间。

HRegion

当分配对象的大小大于 Region 空间的一半，将会分配一个 Humongous Region 直接进入老年代，省略年轻代的内存复制过程，这个 Humongous Region 的大小将为能容纳对象的最小 Region 空格倍数。

SATB (snapshot-at-the-beginning)

对象初始化时的快照，引用变化时使用 write barrier 进行更新，在 GC 中利用了此列表进行扫描。

RSet

与 CMS 不同，G1 使用了记录 Region 引用关系的 Remembered Set 来记录，内部为多个 Card Table ，并且是用于记录 被引用 的对象集合。 使用 三色标记法 + 写屏障(write barrier) 来更新其引用关系。

G1 解决了 CMS 中的各种疑难问题, 包括暂停时间的可预测性, 并终结了堆内存的碎片化。

ZGC

是一个可伸缩的低延迟垃圾收集器，暂停时间不超过10毫秒，暂停时间不会随堆或实时设置大小而增加

https://blog.csdn.net/renfufei/article/details/54885190 https://www.zhihu.com/question/53613423/answer/135743258

内存模型(JMM)

heap 根据空间利用率、垃圾回收存活年龄分为年轻代、老年代，永久代。

年轻代

年轻代又可细分为 Eden空间、S0空间 (From Survivor)、S1空间 (To Survivor) Eden Space 中存在线程私有的空间 TLAB，是每个线程的缓冲区，存放一些用过即丢弃的对象。

老年代

当新生代的对象超过设定年龄，或者同龄对象达到幸存区的一半，这些对象将被划入老年代(Old Space)。 只有当老年代空间不足分配发生 Full GC 时 (CMS 中可以为 CMS GC)，才会对老年代的数据进行回收。

永久代

用于存放元类数据，在并发标记时和类加载器卸载时将会对相关数据进行回收。 当一个类加载器死亡时，相对应的元数据也被销毁，释放其块空间。

PermgenSpace

java8 之前的永久代实现，也称为方法区，为一块固定空间大小，当空间不足时会进行Full GC。 由于区空间大小固定，在大量动态创建类的程序中容易造成OOM。

MetaSpace

源自 JRockit，在 Java8 与 Hotspot 合并，将 native method area 概念加入 Hotspot，由此得来 MetaSpace 替换原有的 PermGen，容量仅受可用的本地内存限制。

MetaSpace 的空间是以块 (Chunk) 为单位，这个块的大小取决与申请空间的类加载器类型。

当类加载器加载类时，从块分配器中获取一份块内存空间存在类元数据，并映射此地址。

由于每个类加载器申请的块大小不一致，MetaspaceVM 也还未使用压缩技术，这就容易导致内存碎片的产生。

TLAB

当大量线程申请空间时，JVM 需要对并发操作保障不会发生指针碰撞，这样便增加了复杂性，降低性能。

因此，在 jdk1.6 以后便引入了 TLAB 技术。

TLAB 全名 Thread-local allocation buffers，是在线程初始化的时候在堆中新生代申请一块线程私有的分配空间(允许所有线程访问)，减少同步开销，使用参数 -XX:UseTLAB 开启。

https://www.jianshu.com/p/cd85098cca39

PLAB

全名 promotion-local allocation buffers，用于 Young GC 时的空间分配及复制。

其他还有 CLAB，全名 core-local allocation buffers，用于全局的空间分配。