java JVM详解（持续更新）

JVM定义

JVM结构

类装载子系统

 双亲委派模型

运行时数据区

 方法区（Method Area）

 堆区（Heap）

 虚拟机栈区

 程序计数区

执行引擎子系统

 垃圾回收机制

 内存分代机制

JVM调优

JVM面试题

JVM定义

JVM它是jre的一部分，也java程序最终运行的地方。jdk默认虚拟机HotSpot。

我们编写的java代码，编译后会生成对应的.class文件，这个文件是字节码文件，紧接着JVM 通过类装载子系统将字节码文件装载到运行时数据区，该区域将字节码内容拆分分别装载到JVM运行时数据区的方法区、堆、栈、本地方法栈和程序计数器 几个部分，最终送到执行引擎子系统配合本地接口然后运行。

JVM结构

JVM由两个子系统和两个组件构成。

子系统：

子系统 内容
类装载子系统（ClassLoader）根据给定的全限定类名称装载class文件到运行时数据区的方法区
执行引擎子系统（Execution engine）包含即时编译器（JITCompiler）和垃圾回收器（Garbage Collector）；用于执行class文件中的命令

组件：

组件内容
运行时数据区（Runtime data Area）jvm的内存，包含方法区、虚拟机栈、本地方法栈、堆、程序计数器
本地接口（Native Interface）与本地方法库交互，与其他变成语言交互的接口

在这里插入图片描述

类装载子系统

类的加载是通过双亲委派模型来完成的

类的生命周期：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载

双亲委派模型

加载器找到.class文件找到并读取，双亲委派模型描述的是加载器找到.class文件得基本过程。

即加载类时先把请求委托给自己的父类加载器执行,直到顶层的启动类加载器. 父类加载器能够完成加载则成功返回,不能则子类加载器才自己尝试加载.

运行时数据区

JVM在执行Java程序时，会把它管理的内存划分为若干个的区域，每个区域都有自己的用途和创建销毁时间。

区域线程属性内存占比
堆区共享 最大
虚拟机栈私有
方法区共享
程序计数器私有较小

在这里插入图片描述

方法区（Method Area）

线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

例如，在程序中声明的常量、静态变量和有关于类的信息等的引用，都会存放在方法区，而这些引用所指向的具体对象 一般都会在堆中开辟单独的空间进行存储，也可能会在直接内存中进行存储。

在这里插入图片描述

堆区（Heap）

通过new关键字创建的对象都会被放在堆内存，由于堆是线程共享的，所以堆内存中的对象都需要考虑线程安全问题。

堆中的数据不需要事先明确生存期，可以动态的分配内存，不再使用的数据和对象由JVM中的GC机制自动回收。对JVM的性能调优一般就是对堆内存的调优。

Java中基本类型的包装类：Byte、Short、Integer、Long、Float、Double、Boolean、Character类型的数据是存储在堆中的。

堆区内存分为两个不同区域：新生代（Young）和老年代（Old）。
年轻代又会被进一步分为1个Eden区和2个Survivor区。在内存分配上，如果保持默认配置的话，年轻代和老年代的内存大小比例为1 : 2，年轻代中的1个Eden区和2个Survivor区的内存大小比例为：8 : 1 : 1。

在这里插入图片描述

虚拟机栈区

每个线程运行需要的内存空间，用于保存方法执行的内存模型。
每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次调用方法时所占用的内存。
每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的方法

程序计数区

用于保存当前线程所正在执行的字节码指令的地址(行号)

执行引擎子系统

垃圾回收机制

  1. 目的

    程序运行过程中会产生大量的内存垃圾，为了确保程序运行时的性能，JVM会在过程中不断地进行自动垃圾回收

  2. 关注对象

    程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈是线程私有的，所以会随着线程结束而消亡。
    Java 堆和方法区是线程共享的，在程序处于运行期才知道哪些对象会创建，这部分内存的分配和回收都是动态的，垃圾回收所关注的就是这部分内存。

  3. 判断对象可以回收

    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

    • 引用计数法:当一个对象被引用时，就当引用对象的值加一，当值为 0 时，就表示该对象不被引用，可以被垃圾收集器回收。
    • 可达性分析

  4. 垃圾回收算法

    算法速度碎片空间
    标记清除算法 较快产生内存碎片
    标记整理算法慢没有内存碎片
    复制算法没有内存碎片占用两倍内存空间
    分代垃圾回收算法

内存分代机制

方法区即被称为永久代，而堆中存放的是对象实例，为了回收的时候对不同的对象采用不同的方法，又将堆分为新生代和老年代，默认情况下新生代占堆的1/3，老年代占堆的2/3。

• 新生代（Young）：HotSpot将新生代划分为三块，一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，默认比例为8：1：1。
• 老年代（Old）：在新生代中经历了多次GC后仍然存活下来的对象会进入老年代中。老年代中的对象生命周期较长，存活率比较高，在老年代中进行GC的频率相对而言较低，而且回收的速度也比较慢。
• 永久代（Permanent）：永久代存储类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据，对这一区域而言，一般而言不会进行垃圾回收。
• 元空间（metaspace）：从JDK 8开始，Java开始使用元空间取代永久代，元空间并不在虚拟机中，而是直接使用本地内存。那么，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。当然，也可以对元空间的大小手动的配置。

JVM调优

  1. JDK自带工具

    JDK 自带了很多监控工具，都位于 JDK 的 bin 目录下，其中最常用的是jconsole和jvisualvm这两款视图监控工具。

    • jconsole：用于对JVM中的内存、线程和类等进行监控；
    • jvisualvm：JDK自带的全能分析工具，可以分析：内存快照、线程快照、程序 死锁、监控内存的变化、gc变化等。

  2. 第三方工具

    • MAT(MemoryAnalyzer Tool)：基于Eclipse的内存分析工具
    • GChisto：专业分析gc日志的工具

  3. 调优参数

    -Xms2g：初始化推大小为2g
    -Xmx2g：堆最大内存为2g (为了防止垃圾收集器在最小、最大之间收缩堆而产生额外的时间，通常把最大、最小设置为相同的值)
    -XX:NewSize=m;设置年轻代大小
    -XX:NewRatio=4：设置年轻代的和老年代的内存比例为 1:4； 年轻代和年老代将根据默认的比例(1：2)分配堆内存.
    -XX:SurvivorRatio=8：设置新生代Eden和Survivor比例为 8:1

在这里插入图片描述

在JVM中，主要是对堆（新生代）、方法区和栈进行性能调优。各个区域的调优参数如下所示。

• 堆：-Xms、-Xmx
• 新生代：-Xmn
• 方法区（元空间）：-XX:MetaspaceSize、-XX:MaxMetaspaceSize
• 栈（线程）：-Xss

为了更加直观的表述，我们可以将JVM的内存区域和对应的调优参数总结成下图所示。

在这里插入图片描述
在设置JVM启动参数时，需要特别注意方法区（元空间）的参数设置。

关于方法区（元空间）的JVM参数主要有两个：-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize。

-XX:MetaspaceSize：指的是方法区（元空间）触发Full GC的初始内存大小（方法区没有固定的初始内存大小），以字节为单位，默认为21M。达到设置的值时，会触发Full GC，同时垃圾收集器会对这个值进行修改。

如果在发生Full GC时，回收了大量内存空间，则垃圾收集器会适当降低此值的大小；如果在发生Full GC时，释放的空间比较少，则在不超过设置的-XX:MetaspaceSize值或者在没设置-XX:MetaspaceSize的值时不超过21M，适当提高此值。

-XX:MaxMetaspaceSize：指的是方法区（元空间）的最大值，默认值为-1，不受堆内存大小限制，此时，只会受限于本地内存大小。

最后需要注意的是：调整方法区（元空间）的大小会发生Full GC，这种操作的代价是非常昂贵的。如果发现应用在启动的时候发生了Full GC，则很有可能是方法区（元空间）的大小被动态调整了。

所以，为了尽量不让JVM动态调整方法区（元空间）的大小造成频繁的Full GC，一般将-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize设置成一样的值。例如，物理内存8G，可以将这两个值设置为256M

最后，我们一起看下在物理内存8G的情况下，启动应用程序时，可以设置的JVM参数。当然，我这里给出的是一些经验值，实际部署到生产环境时，需要经过压测找到最佳的参数值。

• 启动SpringBoot:
  java ‐Xms2048M ‐Xmx2048M ‐Xmn1024M ‐Xss512K ‐XX:MetaspaceSize=256M ‐XX:MaxMetaspaceSize=256M ‐jar xxx.jar

• 启动Tomcat（Linux）:
  在Tomcat bin目录下catalina.sh文件里配置。
  ‐Xms2048M ‐Xmx2048M ‐Xmn1024M ‐Xss512K ‐XX:MetaspaceSize=256M ‐XX:MaxMetaspaceSize=256M

• 启动Tomcat（Windows）
  在Tomcat bin目录下catalina.bat文件里配置。
  ‐Xms2048M ‐Xmx2048M ‐Xmn1024M ‐Xss512K ‐XX:MetaspaceSize=256M ‐XX:MaxMetaspaceSize=256M

JVM面试题

  1. 垃圾回收是否涉及栈内存？

    不会。栈内存是方法调用产生的，方法调用结束后会弹出栈。

  2. 栈内存分配越大越好吗？

    物理内存是一定的，栈内存越大，可以支持更多的递归调用，但是可执行的线程数就会越少。

  3. 栈内存溢出的原因

    栈帧过大、过多、或者第三方类库操作，都有可能造成栈内存溢出 java.lang.stackOverflowError，使用 -Xss256k 指定栈内存大小

  4. 堆内存调整参数

    可以使用 -Xmx8m 来指定堆内存大小。

  5. 堆内存诊断方法

    jps -》查看当前系统中有哪些 java 进程
    jmap -》查看堆内存占用情况 jmap - heap 进程id

  6. Java中创建的对象是存储在JVM中的哪个区域的？

    例如，这里，我们简单的列举一行代码，如下所示。

    User user = new User();

    关于上面的代码，不少小伙伴都知道，创建出来的User对象是放在JVM中的堆区域的，而User对象的引用是放在栈中的。但如果你只是了解到这种程度，那面试官就会认为你了解的太浅显了，可能就会达不到他们的要求。其实面试官想要了解你是否对JVM有一个更深入的认识。

    站在面试官的角度来看这个问题时，回答创建出来的User对象是放在JVM的堆区，也并没有错。但是JVM的堆内存区域又会分为年轻代和老年代，而年轻代又会分为Eden区和Survivor区。JVM堆空间的逻辑结构如下图所示。

    在这里插入图片描述
    而面试官更想了解的是你能不能说出来创建的对象具体是存放在JVM堆空间的哪个区域。

    在JVM内部，会将整个堆空间划分成年轻代和老年代，年轻代默认会占整个堆内存空间的1/3，老年代默认会占整个堆内存空间的2/3。年轻代又会划分为Eden区和两个Survivor区，它们之间的默认比例是Eden：Survivor1：Survivor2 = 8:1:1。

在这里插入图片描述

如果你能回答出 新创建的User对象是存放在JVM堆空间中年轻代的Eden区，那面试官就会对你刮目相看了。当然，这里没有考虑JVM的逃逸分析情况

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