Java虚拟机知识总结

本章内容思维导图（软件ProcessOn）

一、Java中的内存划分

1、程序计数器（线程私有）

使PC总是指向下一条将要取指的指令地址。每个线程拥有一个程序计数器，在线程创建时创建，为了线程切换后能够恢复到正确的执行位置，每条线程都有一个独立的程序计数器，属于“线程私有”的内存。如果执行的native方法，计数器当中的内容应当是空 。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2、Java虚拟机栈（线程私有）

每个方法被执行的时候都会创建一个“栈帧”用于存储局部变量表(包括参数)、操作栈、动态连接、方法返回地址等信息。每个方法被调用到执行完的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。生命周期与线程相同，是线程私有的。

a)局部变量表

局部标量表 是一组变量值的存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。在Java程序被编译成Class文件时，就在方法的Code属性的max_locals指定了该方法所需局部变量表的最大容量。局部变量表的容量以变量槽（Variable Slot）为最小单位，局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(引用指针，并非对象本身)，其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个Slot，其余数据类型只占1个。
b)操作数栈

操作数栈，是一个后入先出栈（LIFO）。在Class文件的Code属性的max_stacks指定了执行过程中操作数栈的最大深度。当一个方法刚刚开始的时候，这个方法的操作数栈是空的，在方法执行过程中进行算术运算或者是调用其他的方法进行参数传递。在概念模型中，两个栈帧是相互独立的。但是大多数虚拟机的实现都会进行优化，令两个栈帧出现一部分重叠。令下面的部分操作数栈与上面的局部变量表重叠在一块，这样在方法调用的时候可以共用一部分数据，无需进行额外的参数复制传递。

c)动态连接

每个栈帧都包含一个执行运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接（Dynamic Linking）。Class 文件中存放了大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就是以常量池中指向方法的符号引用作为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或第一次使用时转化为直接引用，这种转化称为静态解析。另一部分将在每一次运行期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。
d)方法返回地址
当一个方法开始执行以后，有两种方法可以退出当前方法，第一种是当执行遇到返回指令，会将返回值传递给上层的方法调用者，这种退出的方式称为正常完成出口（Normal Method Invocation Completion），一般来说，调用者的PC计数器可以作为返回地址。另一种方法是当执行遇到异常，并且当前方法体内没有得到处理，就会导致方法退出，此时是没有返回值的，称为异常完成出口（Abrupt Method Invocation Completion），返回地址要通过异常处理器表来确定。
在方法退出之后，需要返回到方法被调用的位置，方法退出的过程实际上等同于把当前栈帧出栈，因此退出时执行的操作可能有：恢复上层方法的局部变量表和操作数栈，把返回值压入调用者调用者栈帧的操作数栈，调整PC计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令。

3、本地方法栈

与虚拟机栈基本类似，区别在于虚拟机栈为虚拟机执行的java方法服务，而本地方法栈则是为Native方法服务。

4、Java堆（线程共享）

Java 堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。这个区域是用来存放对象实例的，几乎所有对象实例都会在这里分配内存。堆是Java垃圾收集器管理的主要区域（GC堆），垃圾收集器实现了对象的自动销毁。由于现在收集器都是采用分代收集算法，堆被划分为新生代和老年代。新生代主要存储新创建的对象和尚未进入老年代的对象。老年代存储经过多次新生代GC(Minor GC)任然存活的对象。Java虚拟机规定，堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续的即可。在实现上既可以是固定的，也可以是可动态扩展的。如果在堆内存没有完成实例分配，并且堆大小也无法扩展，就会抛出OutOfMemoryError异常。

5、方法区（线程共享）

也称永久代、非堆， 它用于存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。是各个线程共享的内存区域。Sun HotSpot虚拟机把方法区叫做永久代（Permanent Generation）。当方法区无法满足内存分配需求时，将会抛出OutOfMemoryError异常

6、运行常量池

是方法区的一部分，Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译器生成的各种符号引用，这部分内容将在类加载后放到方法区的运行时常量池中。

7、直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现，在JDK1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于通道与缓冲区的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会受到本机总内存的大小及处理器寻址空间的限制。服务器管理员配置虚拟机参数时，一般会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常会忽略掉直接内存，使得各个内存区域的总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

二、OutOfMemoryError异常

1、java堆溢出

Java 堆用于存储对象实例，只要不断地创建对象，并且保证垃圾回收机制清除这些对象，那么在对象数量达到最大堆限制就会产生内存溢出异常。测试方案：无限循环new对象实例出来，在List中保存引用，防止GC回收，最终会产生OOM ,异常堆栈信息并提示Java heap space。

/** * Java堆溢出  * @author YanphetS * @date 2017-07-13 * @VM Args：-Xms20m -Xmx20m */public class HeapOOM {      static class OOMObject {      }      public static void main(String[] args) {          List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();          while (true) {              list.add(new OOMObject());          }      }  }  

2、虚拟机栈和本地方法栈溢出

关于虚拟机栈和本地方法栈，Java虚拟机规范中定义了两种异常： 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将抛出StackOverflowError 异常。 如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。 测试方案： 单线程条件下，通过不断递归调用方法，如不断累加的方法，如下所示：

/** * 虚拟机栈和本地方法栈溢出 * @author YanphetS * @date 2017-07-13  * @VM Args：-Xss128k */public class DirectMemoryOOM {private int stackLength = 1;public void stackLeak() {stackLength++;// 累加变量stackLeak();// 调用自身}}

最终会产生StackOverflowError栈溢出异常。多线程条件下，无限循环地创建线程，并为每个线程无限循环的增加内存，最终会导致OutOfMemoryError异常。 

3、运行时常量池溢出

对于常量池部分，无限循环调用String的intern()方法产生不同的String对象实例，并在List中保存其引用，以防止被GC回收，最终会产生溢出。

/** * 运行时常量池溢出 *  * @author YanphetS * @date 2017-07-13  * @VM Args：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M */public class RuntimeConstantPoolOOM {public static void main(String[] args) {// 使用list保持着常量池引用，避免Full GC回收常量池行为List<String> list = new ArrayList<String>();int i = 0;while (true) {list.add(String.valueOf(i++).intern());}}}

4、方法区溢出

方法区用于存放Class的相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。对于这些区域的测试，基本的思路是运行时产生大量的类去填满方法区，直到溢出。虽然直接使用Java SE API也可以动态产生类（如反射时的GeneratedConstructorAccessor和动态代理等），但在本次实验中操作起来比较麻烦。借助CGLib直接操作字节码运行时生成了大量的动态类。

/** * 方法区溢出 *  * @author YanphetS * @date 2017-07-13 * @VM Args： -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M */public class JavaMethodAreaOOM {public static void main(String[] args) {while (true) {Enhancer enhancer = new Enhancer();enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);enhancer.setUseCache(false);enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {return proxy.invokeSuper(obj, args);}});enhancer.create();}}static class OOMObject {}}

5、本机直接内存溢出

DirectMemory容量可通过-XX:MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，则默认与Java堆的最大值(-Xmx指定)一样。代码中越过了DirectByteBuffer类，直接通过反射获取Unsafe实例并进行内存分配（Unsafe类的getUnsafe()方法限制了只有引导类加载器才会返回实例，也就是设计者希望只有rt.jar中的类才能使用Unsafe的功能）。因为，虽然使用DirectByteBuffer分配内存也会抛出内存溢出异常，但它抛出异常时并没有真正向操作系统申请分配内存，而是通过计算得知内存无法分配，于是手动抛出异常，真正申请分配内存的方法是unsafe.allocateMemory()。

/** * 本机直接内存溢出 *  * @author YanphetS * @date 2017-07-13 * @VM Args:-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M */public class DirectMemoryOOM {private static final int _1MB = 1024 * 1024;public static void main(String[] args) throws Exception {Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];unsafeField.setAccessible(true);Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);while (true) {unsafe.allocateMemory(_1MB);}}}

三、Java引用的四种状态

1、强引用（StrongReference）

强引用是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足，Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足的问题。  强引用也就是类似Object o = new Object()这类的引用。

2、软引用（SoftReference）

如果一个对象只具有软引用，则内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它；如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。如果这次回收还是没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收器回收，Java虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

3、弱引用（WeakReference）

弱引用与软引用的区别在于：只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。每次执行GC的时候，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程，因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

4、虚引用（PhantomReference）

“虚引用”顾名思义，就是形同虚设，与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动。虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于：虚引用必须和引用队列 （ReferenceQueue）联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之 关联的引用队列中。
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue ();
PhantomReference pr = new PhantomReference (object, queue); 
程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。如果程序发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

四、Java对象在内存中的状态

1、可达的

当一个对象被创建后，有一个以上的引用变量引用它。在有向图中可以从起始顶点导航到该对象，那么它就出于可达状态，程序可以通过引用变量来调用该对象的属性和方法。

2、可恢复的

如果程序中某个对象不再有任何引用变量引用它，他将进入可恢复状态，此时从有向图的起始顶点不能导航到该对象。在这种状态下，系统的垃圾回收机制转变回收该对象所占用的内存。在回收该对象之前，系统会调用可恢复状态的对象的finalize方法进行资源清理，如果系统调用finalize方法重新让一个以上的引用变量引用该对象，则该对象会再次编程可达状态；否则，该对象将进入不可达状态。

3、不可达的

当对象的所有关联都被切断，且系统调用所有对象的finalize方法依然没有使该对象变成可达状态后，这个对象将永久性地失去引用，最后变成不可达状态。只有当一个对象出于不可达状态，系统才会真正回收该对象所占用的资源。

五、判断对象是否死亡

1、引用计数算法

给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。计数器算法的一大优势就是不用等待内存不够用的时候，才进行垃圾的回收，其可以在赋值操作的同时，检查计数器是否为0，如果是的话就可以立即回收。最大的缺点就是不能解决循环引用的问题，例如一个父对象持有一个子对象的引用，子对象也持有父对象的引用，这种情况下，父子对象将一直存在于JVM的堆中，无法进行回收。

2、根搜索算法

在主流的商用程序语言中（Java和C#，甚至包括前面提到的古老的Lisp），都是使用根搜索算法（GC Roots Tracing）判定对象是否存活的。这个算法的基本思路就是通过一系列的名为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（用图论的话来说就是从GC Roots到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的。


对象object 5、object 6、object 7虽然互相有关联，但是它们到GC Roots是不可达的，所以它们将会被判定为是可回收的对象。
在Java语言里，可作为GC Roots的对象包括下面几种：
虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中的引用的对象。
方法区中的类静态属性引用的对象。
方法区中的常量引用的对象。
本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）的引用的对象。

六、垃圾收集算法

在确定了哪些垃圾可以被回收后，垃圾收集器要做的事情就是开始进行垃圾回收，但是这里面涉及到一个问题是：如何高效地进行垃圾回收。由于Java虚拟机规范并没有对如何实现垃圾收集器做出明确的规定，因此各个厂商的虚拟机可以采用不同的方式来实现垃圾收集器，所以在此只讨论几种常见的垃圾收集算法的核心思想。

1、标记-清除（Mark-Sweep）算法

这是最基础的垃圾回收算法，之所以说它是最基础的是因为它最容易实现，思想也是最简单的。标记-清除算法分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。标记阶段的任务是标记出所有需要被回收的对象，清除阶段就是回收被标记的对象所占用的空间。具体过程如下图所示：

从图中可以很容易看出标记-清除算法实现起来比较容易，但是有一个比较严重的问题就是容易产生内存碎片，碎片太多可能会导致后续过程中需要为大对象分配空间时无法找到足够的空间而提前触发新的一次垃圾收集动作。

2、复制（Copying）算法

为了解决Mark-Sweep算法的缺陷，Copying算法就被提了出来。它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用的内存空间一次清理掉，这样一来就不容易出现内存碎片的问题。具体过程如下图所示：

这种算法虽然实现简单，运行高效且不容易产生内存碎片，但是却对内存空间的使用做出了高昂的代价，因为能够使用的内存缩减到原来的一半。很显然，Copying算法的效率跟存活对象的数目多少有很大的关系，如果存活对象很多，那么Copying算法的效率将会大大降低。

3、标记-整理（Mark-Compact）算法

为了解决Copying算法的缺陷，充分利用内存空间，提出了Mark-Compact算法。该算法标记阶段和Mark-Sweep一样，但是在完成标记之后，它不是直接清理可回收对象，而是将存活对象都向一端移动，然后清理掉端边界以外的内存。具体过程如下图所示：

4、分代收集（Generational Collection）算法

分代收集算法是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法。它的核心思想是根据对象存活的生命周期将内存划分为若干个不同的区域。一般情况下将堆区划分为老年代（Tenured Generation）和新生代（Young Generation），老年代的特点是每次垃圾收集时只有少量对象需要被回收，而新生代的特点是每次垃圾回收时都有大量的对象需要被回收，那么就可以根据不同代的特点采取最适合的收集算法。目前大部分垃圾收集器对于新生代都采取Copying算法，因为新生代中每次垃圾回收都要回收大部分对象，也就是说需要复制的操作次数较少，但是实际中并不是按照1：1的比例来划分新生代的空间的，一般来说是将新生代划分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden空间和其中的一块Survivor空间，当进行回收时，将Eden和Survivor中还存活的对象复制到另一块Survivor空间中，然后清理掉Eden和刚才使用过的Survivor空间。而由于老年代的特点是每次回收都只回收少量对象，一般使用的是Mark-Compact算法。注意，在堆区之外还有一个代就是永久代（Permanet Generation），它用来存储class类、常量、方法描述等。对永久代的回收主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。

七、垃圾收集器

1、Serial(串行GC)收集器

Serial收集器是一个新生代收集器，单线程执行，使用复制算法。它在进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程(用户线程)。是Jvm client模式下默认的新生代收集器。对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。

2、ParNew(并行GC)收集器

ParNew收集器其实就是serial收集器的多线程版本，除了使用多条线程进行垃圾收集之外，其余行为与Serial收集器一样。

3、Parallel Scavenge(并行回收GC)收集器

Parallel Scavenge收集器也是一个新生代收集器，它也是使用复制算法的收集器，又是并行多线程收集器。parallel Scavenge收集器的特点是它的关注点与其他收集器不同，CMS等收集器的关注点是尽可能地缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，而parallel Scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量。吞吐量= 程序运行时间/(程序运行时间 + 垃圾收集时间)，虚拟机总共运行了100分钟。其中垃圾收集花掉1分钟，那吞吐量就是99%。

4、Serial Old(串行GC)收集器

Serial Old是Serial收集器的老年代版本，它同样使用一个单线程执行收集，使用“标记-整理”算法。主要使用在Client模式下的虚拟机。

5、Parallel Old(并行GC)收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法。

6、CMS(并发GC)收集器

Concurrent Mark Sweep 收集器是一种以获得最短回收停顿时间为目标的收集器，基于标记清除算法。
过程如下：初始标记，并发标记，重新标记，并发清除，优点是并发收集，低停顿，缺点是对CPU资源非常敏感，无法处理浮动垃圾，收集结束会产生大量空间碎片。

7、G1收集器

G1收集器是基于标记整理算法实现的，不会产生空间碎片，可以精确地控制停顿，将堆划分为多个大小固定的独立区域，并跟踪这些区域的垃圾堆积程度，
在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收垃圾最多的区域（Garbage First）。