JVM学习《类加载运行-jvm内存模型》

目录

1.类加载过程

1.1 加载过程详解

1.2 类加载器

2.类加载器和双亲委派机制

3.JVM 对象创建与内存分配机制(重要)

3.1 对象的创建过程

3.2 对象的内存分配策略

4.JVM的内存模型

5.那些是GC Roots的对象有哪些?


1.类加载过程

       通过类加载器加载主类到JVM,加载过程可以分为五个主要阶段:加载、验证、准备、解析、初始化。

1.1 加载过程详解
  • 加载:在硬盘上查找字节码文件,生成java.lang.Class对象。
  • 验证:校验字节码文件的正确性。
  • 准备:为静态变量分配内存,并赋予默认值。
  • 解析:将符号引用替换为直接引用。
  • 初始化:为静态变量赋予指定值,执行静态代码块。
1.2 类加载器

引导类加载器(Bootstrap ClassLoader):加载JRE核心类库。

扩展类加载器(Extension ClassLoader):加载JRE扩展目录中的类包。

应用程序类加载器(Application ClassLoader):加载ClassPath路径下的类。

自定义加载器(Custom ClassLoader):加载用户自定义路径下的类。

2.类加载器和双亲委派机制

   Java在运行之前,首先需要把Java代码转换成字节码,即class文件。然后JVM需要把字节码通过类加载器(ClassLoader)方式加载到内存中的运行时数据区

      类加载时,先委托父加载器(上层父加载器)寻找目标类,找不到再由自己加载。

设计双亲委派机制的好处?

  • 安全性:沙箱安全机制,防止核心类库(如 java.lang.String)被篡改。通过先让父类加载器尝试加载类,可以确保应用程序无法加载并替换核心类库。

  • 避免类的重复加载:如果某个类已经被父类加载器加载过,子类加载器就不会再加载它,从而保证 JVM 中每个类的唯一性,节省内存资源并提高加载效率。

3.JVM 对象创建与内存分配机制(重要)

          在 Java 中,对象的创建和内存分配是程序性能和内存管理的关键环节。JVM(Java 虚拟机)为对象的创建和分配提供了一整套机制,确保程序高效运行。下面深入解析 JVM 如何管理对象的创建与内存分配。

3.1 对象的创建过程

1.类加载检查

               虚拟机遇到一条new指令时,首先将去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被加载、解析和初始化过。如果没有,那必须先执行相应的类加载过程。

new指令对应到语言层面上讲是,new关键词、对象克隆、对象序列化等

2.内存分配

     类加载完成后,JVM 为新对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后已经确定。

  • 内存分配的方式取决于堆内存的使用情况:
    • 指针碰撞(Bump-the-pointer):适用于堆内存是规整的情况。JVM 使用一个指针作为分界线,指针一侧是已用内存,另一侧是空闲内存。分配内存时,只需移动指针即可。
    • 空闲列表(Free List):适用于堆内存不规整的情况。JVM 维护一个列表,记录所有空闲的内存块。分配内存时,JVM 会从列表中找到一块合适的内存块。

         如果Java堆中的内存并不是规整的,已使用的内存和空 闲的内存相互交错,那就没有办法简单地进行指针碰撞了,虚拟 机就必须维护一个列表,记 录上哪些内存块是可用的,在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例,  并更新列表上的记录

解决并发问题的方法:

  • CAS(compare and swap) 虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性来对分配内存空间的动作进行同步处理。
  • 本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer,TLAB) 把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行,即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存。

3.内存初始化

  • JVM 将分配到的内存初始化为零值(不包括对象头),确保对象的实例字段在 Java 代码中可以直接使用。
  • 如果使用了 TLAB(Thread Local Allocation Buffer),内存初始化可能在分配时提前完成。

4.设置对象头

   内存初始化后,JVM 会设置对象头,存储对象的元数据信息,包括对象所属的类、对象的哈希码、锁信息、GC 年龄等。

5.执行 <init> 方法

      执行方法,即对象按照程序员的意愿进行初始化。对应到语言层面上讲,就是为属性赋值(注意,这与上面的赋 零值不同,这是由程序员赋的值),和执行构造方法。

3.2 对象的内存分配策略

jvm创建(加载)的对象,不一定全部都是放在堆里面的,可能分分配到栈里面。分配到栈里面,随着栈帧的销毁而销毁,这样就不用再额外GC了。

1. 栈上分配: 为了减少堆内存的使用,JVM 通过逃逸分析确定对象不会被外部引用时,可以将该对象分配到栈上。这样,随着栈帧出栈,对象的内存也会被自动回收,减轻垃圾回收的负担。

 public User test1() {User user = new User();user.setId(1);user.setName("zhuge");//TODO 保存到数据库return user;}public void test2() {User user = new User();user.setId(1);user.setName("zhuge");//TODO 保存到数据库}

      test1方法中的user对象被返回了,这个对象的作用域范围不确定,test2方法中的user对象我们可以确定当方法结束这个对象就可以认为是无效对象了,对于这样的对象我们其实可以将其分配在栈内存里,让其在方法结束时跟随栈内 存一起被回收掉。

        JVM对于这种情况可以通过开启逃逸分析参数(-XX:+DoEscapeAnalysis)来优化对象内存    分配位置,使其通过标量替换优先分配在栈上(栈上分配),JDK7之后默认开启逃逸分析,如果要关闭使用参数(-XX:-DoEscapeAnalysis)

标量替换:通过逃逸分析确定该对象不会被外部访问,并且对象可以被进一步分解时,JVM不会创建该对象,而是将该 对象成员变量分解若干个被这个方法使用的成员变量所代替,这些代替的成员变量在栈帧或寄存器上分配空间,这样就 不会因为没有一大块连续空间导致对象内存不够分配。开启标量替换参数(-XX:+EliminateAllocations),JDK7之后默认 开启。

标量与聚合量:标量即不可被进一步分解的量,而JAVA的基本数据类型就是标量(如:int,long等基本数据类型以及 reference类型等),标量的对立就是可以被进一步分解的量,而这种量称之为聚合量。而在JAVA中对象就是可以被进一 步分解的聚合量。

    栈上分配依赖于逃逸分析和标量替换

2. Eden 区分配: 大多数情况下,对象在新生代中 Eden 区分配。当 Eden 区没有足够空间进行分配时,虚拟机将发起一次Minor GC。                                                            

            Minor GC和Full GC 有什么不同呢?

  • Minor GC/Young GC:指发生新生代的的垃圾收集动作,Minor GC非常频繁,回收速度一般也比较快。

  • Major GC/Full GC:一般会回收老年代 ,年轻代,方法区的垃圾,Major GC的速度一般会比Minor GC的慢 10倍以上。

  • Eden与Survivor区默认8:1:1 大量的对象被分配在eden区,eden区满了后会触发minor gc,可能会有99%以上的对象成为垃圾被回收掉,剩余存活 的对象会被挪到为空的那块survivor区,下一次eden区满了后又会触发minor gc,把eden区和survivor区垃圾对象回 收,把剩余存活的对象一次性挪动到另外一块为空的survivor区,因为新生代的对象都是朝生夕死的,存活时间很短,所 以JVM默认的8:1:1的比例是很合适的,让eden区尽量的大,survivor区够用即可

3.  大对象直接进入老年代: 大对象就是需要大量连续内存空间的对象(比如:字符串、数组),JVM 允许大对象直接分配到老年代,以避免在新生代进行多次复制操作。这可以通过设置 JVM 参数 -XX:PretenureSizeThreshold 来控制大对象的大小阈值,这个参数只在 Serial 和ParNew两个收集器下 有效。

          为什么要这样呢? 为了避免为大对象分配内存时的复制操作而降低效率。

4. 对象的晋升: 对象在 Survivor 区每熬过一次 Minor GC,年龄就会增加。当年龄达到一定阈值(默认 15 岁,,CMS收集器默认6岁,具体可通过 -XX:MaxTenuringThreshold 设置),对象将被晋升到老年代。

5. 动态年龄判断: 当前放对象的Survivor区域里(其中一块区域,放对象的那块s区),一批对象的总大小大于这块Survivor区域内存大小的 50%(-XX:TargetSurvivorRatio可以指定),那么此时大于等于这批对象年龄最大值的对象,就可以直接进入老年代了, 例如Survivor区域里现在有一批对象,年龄1+年龄2+年龄n的多个年龄对象总和超过了Survivor区域的50%,此时就会 把年龄n(含)以上的对象都放入老年代。这个规则其实是希望那些可能是长期存活的对象,尽早进入老年代。对象动态年 龄判断机制一般是在minor gc之后触发的

6. 老年代空间分配担保机制

  年轻代每次minor gc之前JVM都会计算下老年代剩余可用空间

如果这个可用空间小于年轻代里现有的所有对象大小之和(包括垃圾对象)

就会看一个“-XX:-HandlePromotionFailure”(jdk1.8默认就设置了)的参数是否设置了

如果有这个参数,就会看看老年代的可用内存大小,是否大于之前每一次minor gc后进入老年代的对象的平均大小。

如果上一步结果是小于或者之前说的参数没有设置,那么就会触发一次Full gc,对老年代和年轻代一起回收一次垃圾, 如果回收完还是没有足够空间存放新的对象就会发生"OOM"

当然,如果minor gc之后剩余存活的需要挪动到老年代的对象大小还是大于老年代可用空间,那么也会触发full gc,full  gc完之后如果还是没有空间放minor gc之后的存活对象,则也会发生“OOM”

4.JVM的内存模型

5.那些是GC Roots的对象有哪些?

垃圾回收(Garbage Collection, GC)的方法主要有两种:引用计数法可达性分析算法

下为GCROOT的对象:

  1. 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象
  2. 方法区中类静态属性引用的对象
  3. 方法区中常量引用的对象
  4. 本地方法栈中JNI引用的对象

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