怎么分析JVM原理

本篇文章為大家展示了怎么分析JVM原理，內(nèi)容簡明扼要并且容易理解，絕對能使你眼前一亮，通過這篇文章的詳細介紹希望你能有所收獲。

1：什么是JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫，JVM是一種用于計算設(shè)備的規(guī)范，它是一個虛構(gòu)出來的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現(xiàn)的。Java虛擬機包括一套字節(jié)碼指令集、一組寄存器、一個棧、一個垃圾回收堆和一個存儲方法域。 JVM屏蔽了與具體操作系統(tǒng)平臺相關(guān)的信息，使Java程序只需生成在Java虛擬機上運行的目標代碼（字節(jié)碼）,就可以在多種平臺上不加修改地運行。JVM在執(zhí)行字節(jié)碼時，實際上最終還是把字節(jié)碼解釋成具體平臺上的機器指令執(zhí)行。

2：JRE/JDK/JVM是什么關(guān)系

JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java運行環(huán)境)，也就是Java平臺。所有的Java 程序都要在JRE下才能運行。普通用戶只需要運行已開發(fā)好的java程序，安裝JRE即可。

JDK(Java Development Kit)是程序開發(fā)者用來來編譯、調(diào)試java程序用的開發(fā)工具包。JDK的工具也是Java程序，也需要JRE才能運行。為了保持JDK的獨立性和完整性，在JDK的安裝過程中，JRE也是 安裝的一部分。所以，在JDK的安裝目錄下有一個名為jre的目錄，用于存放JRE文件。

JVM(JavaVirtualMachine，Java虛擬機)是JRE的一部分。它是一個虛構(gòu)出來的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現(xiàn)的。JVM有自己完善的硬件架構(gòu)，如處理器、堆棧、寄存器等，還具有相應(yīng)的指令系統(tǒng)。Java語言最重要的特點就是跨平臺運行。使用JVM就是為了支持與操作系統(tǒng)無關(guān)，實現(xiàn)跨平臺。

3：JVM原理

JVM是java的核心和基礎(chǔ)，在java編譯器和os平臺之間的虛擬處理器。它是一種利用軟件方法實現(xiàn)的抽象的計算機基于下層的操作系統(tǒng)和硬件平臺，可以在上面執(zhí)行java的字節(jié)碼程序。

java編譯器只要面向JVM，生成JVM能理解的代碼或字節(jié)碼文件。Java源文件經(jīng)編譯成字節(jié)碼程序，通過JVM將每一條指令翻譯成不同平臺機器碼，通過特定平臺運行。

4：JVM的體系結(jié)構(gòu)

類裝載器（ClassLoader）（用來裝載.class文件）

執(zhí)行引擎（執(zhí)行字節(jié)碼，或者執(zhí)行本地方法）

運行時數(shù)據(jù)區(qū)（方法區(qū)、堆、java棧、PC寄存器、本地方法棧）

5：JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)

第一塊：PC寄存器

PC寄存器是用于存儲每個線程下一步將執(zhí)行的JVM指令，如該方法為native的，則PC寄存器中不存儲任何信息。

第二塊：JVM棧

JVM棧是線程私有的，每個線程創(chuàng)建的同時都會創(chuàng)建JVM棧，JVM棧中存放的為當前線程中局部基本類型的變量（java中定義的八種基本類型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double）、部分的返回結(jié)果以及Stack Frame，非基本類型的對象在JVM棧上僅存放一個指向堆上的地址。

第三塊：堆（Heap）

它是JVM用來存儲對象實例以及數(shù)組值的區(qū)域，可以認為Java中所有通過new創(chuàng)建的對象的內(nèi)存都在此分配，Heap中的對象的內(nèi)存需要等待GC進行回收。

（1） 堆是JVM中所有線程共享的，因此在其上進行對象內(nèi)存的分配均需要進行加鎖，這也導(dǎo)致了new對象的開銷是比較大的

（2） Sun Hotspot JVM為了提升對象內(nèi)存分配的效率，對于所創(chuàng)建的線程都會分配一塊獨立的空間TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根據(jù)運行的情況計算而得，在TLAB上分配對象時不需要加鎖，因此JVM在給線程的對象分配內(nèi)存時會盡量的在TLAB上分配，在這種情況下JVM中分配對象內(nèi)存的性能和C基本是一樣高效的，但如果對象過大的話則仍然是直接使用堆空間分配

（3） TLAB僅作用于新生代的Eden Space，因此在編寫Java程序時，通常多個小的對象比大的對象分配起來更加高效。

（4） 所有新創(chuàng)建的Object 都將會存儲在新生代Yong Generation中。如果Young Generation的數(shù)據(jù)在一次或多次GC后存活下來，那么將被轉(zhuǎn)移到OldGeneration。新的Object總是創(chuàng)建在Eden Space。

第四塊：方法區(qū)域（Method Area）

（1）在Sun JDK中這塊區(qū)域?qū)?yīng)的為PermanetGeneration，又稱為持久代。

（2）方法區(qū)域存放了所加載的類的信息（名稱、修飾符等）、類中的靜態(tài)變量、類中定義為final類型的常量、類中的Field信息、類中的方法信息，當開發(fā)人員在程序中通過Class對象中的getName、isInterface等方法來獲取信息時，這些數(shù)據(jù)都來源于方法區(qū)域，同時方法區(qū)域也是全局共享的，在一定的條件下它也會被GC，當方法區(qū)域需要使用的內(nèi)存超過其允許的大小時，會拋出OutOfMemory的錯誤信息。

第五塊：運行時常量池（Runtime Constant Pool）

存放的為類中的固定的常量信息、方法和Field的引用信息等，其空間從方法區(qū)域中分配。

第六塊：本地方法堆棧（Native Method Stacks）

JVM采用本地方法堆棧來支持native方法的執(zhí)行，此區(qū)域用于存儲每個native方法調(diào)用的狀態(tài)。

6：對象“已死”的判定算法

由于程序計數(shù)器、Java虛擬機棧、本地方法棧都是線程獨享，其占用的內(nèi)存也是隨線程生而生、隨線程結(jié)束而回收。而Java堆和方法區(qū)則不同，線程共享，是GC的所關(guān)注的部分。

在堆中幾乎存在著所有對象，GC之前需要考慮哪些對象還活著不能回收，哪些對象已經(jīng)死去可以回收。

有兩種算法可以判定對象是否存活：

1.）引用計數(shù)算法：給對象中添加一個引用計數(shù)器，每當一個地方應(yīng)用了對象，計數(shù)器加1；當引用失效，計數(shù)器減1；當計數(shù)器為0表示該對象已死、可回收。但是它很難解決兩個對象之間相互循環(huán)引用的情況。

2.）可達性分析算法：通過一系列稱為“GC Roots”的對象作為起點，從這些節(jié)點開始向下搜索，搜索所走過的路徑稱為引用鏈，當一個對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連（即對象到GC Roots不可達），則證明此對象已死、可回收。Java中可以作為GC Roots的對象包括：虛擬機棧中引用的對象、本地方法棧中Native方法引用的對象、方法區(qū)靜態(tài)屬性引用的對象、方法區(qū)常量引用的對象。

在主流的商用程序語言（如我們的Java）的主流實現(xiàn)中，都是通過可達性分析算法來判定對象是否存活的。

7：JVM垃圾回收

GC (Garbage Collection)的基本原理：將內(nèi)存中不再被使用的對象進行回收，GC中用于回收的方法稱為收集器，由于GC需要消耗一些資源和時間，Java在對對象的生命周期特征進行分析后，按照新生代、舊生代的方式來對對象進行收集，以盡可能的縮短GC對應(yīng)用造成的暫停

（1）對新生代的對象的收集稱為minor GC；

（2）對舊生代的對象的收集稱為Full GC；

（3）程序中主動調(diào)用System.gc()強制執(zhí)行的GC為Full GC。

不同的對象引用類型， GC會采用不同的方法進行回收，JVM對象的引用分為了四種類型：

（1）強引用：默認情況下，對象采用的均為強引用（這個對象的實例沒有其他對象引用，GC時才會被回收）

（2）軟引用：軟引用是Java中提供的一種比較適合于緩存場景的應(yīng)用（只有在內(nèi)存不夠用的情況下才會被GC）

（3）弱引用：在GC時一定會被GC回收

（4）虛引用：由于虛引用只是用來得知對象是否被GC

8：垃圾收集算法

1、標記-清除算法

最基礎(chǔ)的算法，分標記和清除兩個階段：首先標記處所需要回收的對象，在標記完成后統(tǒng)一回收所有被標記的對象。

它有兩點不足：一個效率問題，標記和清除過程都效率不高；一個是空間問題，標記清除之后會產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片（類似于我們電腦的磁盤碎片），空間碎片太多導(dǎo)致需要分配大對象時無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾回收動作。

2、復(fù)制算法

為了解決效率問題，出現(xiàn)了“復(fù)制”算法，他將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只需要使用其中一塊。當一塊內(nèi)存用完了，將還存活的對象復(fù)制到另一塊上面，然后再把剛剛用完的內(nèi)存空間一次清理掉。這樣就解決了內(nèi)存碎片問題，但是代價就是可以用內(nèi)容就縮小為原來的一半。

3、標記-整理算法

復(fù)制算法在對象存活率較高時就會進行頻繁的復(fù)制操作，效率將降低。因此又有了標記-整理算法，標記過程同標記-清除算法，但是在后續(xù)步驟不是直接對對象進行清理，而是讓所有存活的對象都向一側(cè)移動，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存。

4、分代收集算法

當前商業(yè)虛擬機的GC都是采用分代收集算法，這種算法并沒有什么新的思想，而是根據(jù)對象存活周期的不同將堆分為：新生代和老年代，方法區(qū)稱為永久代（在新的版本中已經(jīng)將永久代廢棄，引入了元空間的概念，永久代使用的是JVM內(nèi)存而元空間直接使用物理內(nèi)存）。

這樣就可以根據(jù)各個年代的特點采用不同的收集算法。

新生代中的對象“朝生夕死”，每次GC時都會有大量對象死去，少量存活，使用復(fù)制算法。新生代又分為Eden區(qū)和Survivor區(qū)（Survivor from、Survivor to），大小比例默認為8:1:1。

老年代中的對象因為對象存活率高、沒有額外空間進行分配擔保，就使用標記-清除或標記-整理算法。

新產(chǎn)生的對象優(yōu)先進去Eden區(qū)，當Eden區(qū)滿了之后再使用Survivor from，當Survivor from 也滿了之后就進行Minor GC（新生代GC），將Eden和Survivor from中存活的對象copy進入Survivor to，然后清空Eden和Survivor from，這個時候原來的Survivor from成了新的Survivor to，原來的Survivor to成了新的Survivor from。復(fù)制的時候，如果Survivor to 無法容納全部存活的對象，則根據(jù)老年代的分配擔保（類似于銀行的貸款擔保）將對象copy進去老年代，如果老年代也無法容納，則進行Full GC（老年代GC）。

大對象直接進入老年代：JVM中有個參數(shù)配置-XX:PretenureSizeThreshold，令大于這個設(shè)置值的對象直接進入老年代，目的是為了避免在Eden和Survivor區(qū)之間發(fā)生大量的內(nèi)存復(fù)制。

長期存活的對象進入老年代：JVM給每個對象定義一個對象年齡計數(shù)器，如果對象在Eden出生并經(jīng)過第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容納，將被移入Survivor并且年齡設(shè)定為1。沒熬過一次Minor GC，年齡就加1，當他的年齡到一定程度（默認為15歲，可以通過XX:MaxTenuringThreshold來設(shè)定），就會移入老年代。但是JVM并不是永遠要求年齡必須達到最大年齡才會晉升老年代，如果Survivor 空間中相同年齡（如年齡為x）所有對象大小的總和大于Survivor的一半，年齡大于等于x的所有對象直接進入老年代，無需等到最大年齡要求。

9：垃圾收集器

垃圾收集算法是方法論，垃圾收集器是具體實現(xiàn)。JVM規(guī)范對于垃圾收集器的應(yīng)該如何實現(xiàn)沒有任何規(guī)定，因此不同的廠商、不同版本的虛擬機所提供的垃圾收集器差別較大，這里只看HotSpot虛擬機。

JDK7/8后，HotSpot虛擬機所有收集器及組合（連線）如下：

1.Serial收集器

Serial收集器是最基本、歷史最久的收集器，曾是新生代手機的唯一選擇。他是單線程的，只會使用一個CPU或一條收集線程去完成垃圾收集工作，并且它在收集的時候，必須暫停其他所有的工作線程，直到它結(jié)束，即“Stop the World”。停掉所有的用戶線程，對很多應(yīng)用來說難以接受。比如你在做一件事情，被別人強制停掉，你心里奔騰而過的“羊駝”還數(shù)的過來嗎？

盡管如此，它仍然是虛擬機運行在client模式下的默認新生代收集器：簡單而高效（與其他收集器的單個線程相比，因為沒有線程切換的開銷等）。

工作示意圖：

2.ParNew收集器

ParNew收集器是Serial收集器的多線程版本，除了使用了多線程之外，其他的行為（收集算法、stop the world、對象分配規(guī)則、回收策略等）同Serial收集器一樣。

是許多運行在Server模式下的JVM中首選的新生代收集器，其中一個很重還要的原因就是除了Serial之外，只有他能和老年代的CMS收集器配合工作。

工作示意圖：

3.Parallel Scavenge收集器

新生代收集器，并行的多線程收集器。它的目標是達到一個可控的吞吐量（就是CPU運行用戶代碼的時間與CPU總消耗時間的比值，即 吞吐量=行用戶代碼的時間/[行用戶代碼的時間+垃圾收集時間]），這樣可以高效率的利用CPU時間，盡快完成程序的運算任務(wù)，適合在后臺運算而不需要太多交互的任務(wù)。

4.Serial Old收集器

Serial 收集器的老年代版本，單線程，“標記整理”算法，主要是給Client模式下的虛擬機使用。

另外還可以在Server模式下：

JDK 1.5之前的版本中雨P(guān)arallel Scavenge 收集器搭配使用

可以作為CMS的后背方案，在CMS發(fā)生Concurrent Mode Failure是使用

工作示意圖：

5.Parallel Old收集器

Parallel Scavenge的老年代版本，多線程，“標記整理”算法，JDK 1.6才出現(xiàn)。在此之前Parallel Scavenge只能同Serial Old搭配使用，由于Serial Old的性能較差導(dǎo)致Parallel Scavenge的優(yōu)勢發(fā)揮不出來，尷了個尬~~

Parallel Old收集器的出現(xiàn)，使“吞吐量優(yōu)先”收集器終于有了名副其實的組合。在吞吐量和CPU敏感的場合，都可以使用Parallel Scavenge/Parallel Old組合。組合的工作示意圖如下：

6.CMS收集器

CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器是一種以獲取最短回收停頓時間為目標的收集器，停頓時間短，用戶體驗就好。

基于“標記清除”算法，并發(fā)收集、低停頓，運作過程復(fù)雜，分4步：

1)初始標記：僅僅標記GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對象，速度快，但是需要“Stop The World”

2)并發(fā)標記：就是進行追蹤引用鏈的過程，可以和用戶線程并發(fā)執(zhí)行。

3)重新標記：修正并發(fā)標記階段因用戶線程繼續(xù)運行而導(dǎo)致標記發(fā)生變化的那部分對象的標記記錄，比初始標記時間長但遠比并發(fā)標記時間短，需要“Stop The World”

4)并發(fā)清除：清除標記為可以回收對象，可以和用戶線程并發(fā)執(zhí)行

由于整個過程耗時最長的并發(fā)標記和并發(fā)清除都可以和用戶線程一起工作，所以總體上來看，CMS收集器的內(nèi)存回收過程和用戶線程是并發(fā)執(zhí)行的。

工作示意圖：

CSM收集器有3個缺點：

1)對CPU資源非常敏感

并發(fā)收集雖然不會暫停用戶線程，但因為占用一部分CPU資源，還是會導(dǎo)致應(yīng)用程序變慢，總吞吐量降低。

CMS的默認收集線程數(shù)量是=(CPU數(shù)量+3)/4；當CPU數(shù)量多于4個，收集線程占用的CPU資源多于25%，對用戶程序影響可能較大；不足4個時，影響更大，可能無法接受。

2)無法處理浮動垃圾（在并發(fā)清除時，用戶線程新產(chǎn)生的垃圾叫浮動垃圾）,可能出現(xiàn)"Concurrent Mode Failure"失敗。

并發(fā)清除時需要預(yù)留一定的內(nèi)存空間，不能像其他收集器在老年代幾乎填滿再進行收集；如果CMS預(yù)留內(nèi)存空間無法滿足程序需要，就會出現(xiàn)一次"Concurrent Mode Failure"失??；這時JVM啟用后備預(yù)案：臨時啟用Serail Old收集器，而導(dǎo)致另一次Full GC的產(chǎn)生；

3)產(chǎn)生大量內(nèi)存碎片：CMS基于"標記-清除"算法，清除后不進行壓縮操作產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，這樣會導(dǎo)致分配大內(nèi)存對象時，無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存，從而需要提前觸發(fā)另一次Full GC動作。

7.G1收集器

G1（Garbage-First）是JDK7-u4才正式推出商用的收集器。G1是面向服務(wù)端應(yīng)用的垃圾收集器。它的使命是未來可以替換掉CMS收集器。

G1收集器特性：

并行與并發(fā)：能充分利用多CPU、多核環(huán)境的硬件優(yōu)勢，縮短停頓時間；能和用戶線程并發(fā)執(zhí)行。

分代收集：G1可以不需要其他GC收集器的配合就能獨立管理整個堆，采用不同的方式處理新生對象和已經(jīng)存活一段時間的對象。

空間整合：整體上看采用標記整理算法，局部看采用復(fù)制算法（兩個Region之間），不會有內(nèi)存碎片，不會因為大對象找不到足夠的連續(xù)空間而提前觸發(fā)GC，這點優(yōu)于CMS收集器。

可預(yù)測的停頓：除了追求低停頓還能建立可以預(yù)測的停頓時間模型，能讓使用者明確指定在一個長度為M毫秒的時間片段內(nèi)，消耗在垃圾收集上的時間不超N毫秒，這點優(yōu)于CMS收集器。

為什么能做到可預(yù)測的停頓？

是因為可以有計劃的避免在整個Java堆中進行全區(qū)域的垃圾收集。

G1收集器將內(nèi)存分大小相等的獨立區(qū)域（Region），新生代和老年代概念保留，但是已經(jīng)不再物理隔離。

G1跟蹤各個Region獲得其收集價值大小，在后臺維護一個優(yōu)先列表；

每次根據(jù)允許的收集時間，優(yōu)先回收價值最大的Region（名稱Garbage-First的由來）；

這就保證了在有限的時間內(nèi)可以獲取盡可能高的收集效率。

對象被其他Region的對象引用了怎么辦？

判斷對象存活時，是否需要掃描整個Java堆才能保證準確？在其他的分代收集器，也存在這樣的問題（而G1更突出）：新生代回收的時候不得不掃描老年代？

無論G1還是其他分代收集器，JVM都是使用Remembered Set來避免全局掃描：

每個Region都有一個對應(yīng)的Remembered Set；

每次Reference類型數(shù)據(jù)寫操作時，都會產(chǎn)生一個Write Barrier 暫時中斷操作；

然后檢查將要寫入的引用指向的對象是否和該Reference類型數(shù)據(jù)在不同的 Region（其他收集器：檢查老年代對象是否引用了新生代對象）；

如果不同，通過CardTable把相關(guān)引用信息記錄到引用指向?qū)ο蟮乃赗egion對應(yīng)的Remembered Set中；

進行垃圾收集時，在GC根節(jié)點的枚舉范圍加入 Remembered Set ，就可以保證不進行全局掃描，也不會有遺漏。

不計算維護Remembered Set的操作，回收過程可以分為4個步驟（與CMS較為相似）：

1)初始標記：僅僅標記GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對象，并修改TAMS(Next Top at Mark Start)的值，讓下一階段用戶程序并發(fā)運行時能在正確可用的Region中創(chuàng)建新對象，需要“Stop The World”

2)并發(fā)標記：從GC Roots開始進行可達性分析，找出存活對象，耗時長，可與用戶線程并發(fā)執(zhí)行

3)最終標記：修正并發(fā)標記階段因用戶線程繼續(xù)運行而導(dǎo)致標記發(fā)生變化的那部分對象的標記記錄。并發(fā)標記時虛擬機將對象變化記錄在線程Remember Set Logs里面，最終標記階段將Remember Set Logs整合到Remember Set中，比初始標記時間長但遠比并發(fā)標記時間短，需要“Stop The World”

4)篩選回收：首先對各個Region的回收價值和成本進行排序，然后根據(jù)用戶期望的GC停頓時間來定制回收計劃，最后按計劃回收一些價值高的Region中垃圾對象?；厥諘r采用復(fù)制算法，從一個或多個Region復(fù)制存活對象到堆上的另一個空的Region，并且在此過程中壓縮和釋放內(nèi)存；可以并發(fā)進行，降低停頓時間，并增加吞吐量。

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