JVM学习小记

2016-10-27 学习自 http://segmentfault.com/blog/exploring/ （感谢）

java虚拟机（Java virtual machine，JVM）

JVM 是 编译后的 Java 程序（.class文件）和硬件系统之间的接口 （ 编译后：javac 是收录于 JDK 中的 Java 语言编译器。该工具可以将后缀名为. java 的源文件编译为后缀名为. class 的可以运行于 Java 虚拟机的字节码。）

JVM = 类加载器 classloader + 执行引擎 execution engine + 运行时数据区域 runtime data area

classloader

作用：装载.class文件。classloader 把硬盘上的class 文件加载到JVM中的运行时数据区域, 但是它不负责这个类文件能否执行，而这个是 执行引擎 负责的。
classloader 有两种装载class的方式 （时机）：
1. 隐式：运行过程中，碰到new方式生成对象时，隐式调用classLoader到JVM
2. 显式：通过class.forname()动态加载

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执行引擎

作用： 执行字节码，或者执行本地方法

GC（Garbage Collection）

何为GC？
垃圾回收机制是由垃圾收集器Garbage Collection GC来实现的，GC是后台的守护进程。它的特别之处是它是一个低优先级进程，但是可以根据内存的使用情况动态的调整他的优先级。因此，它是在内存中低到一定限度时才会自动运行，从而实现对内存的回收。这就是垃圾回收的时间不确定的原因。

GC有关的是: runtime data area 中的 heap（对象实例会存储在这里） 和 gabage collector方法。
程序运行期间，所有对象实例存储在运行时数据区域的heap中，当一个对象不再被引用（使用），它就需要被收回。在GC过程中，这些不再被使用的对象从heap中收回，这样就会有空间被循环利用。
GC为内存中不再使用的对象进行回收，GC中调用回收的方法–收集器garbage collector. 由于GC要消耗一些资源和时间，Java 在对对象的生命周期特征（eden or survivor）进行分析之后，采用了分代的方式进行对象的收集，以缩短GC对应用造成的暂停。

在垃圾回收器回收内存之前，还需要一些清理工作。
因为垃圾回收gc只能回收通过new关键字申请的内存（在堆上），但是堆上的内存并不完全是通过new申请分配的。还有一些本地方法（一般是调用的C方法）。这部分“特殊的内存”如果不手动释放，就会导致内存泄露，gc是无法回收这部分内存的。
所以需要在finalize中用本地方法(native method)如free操作等，再使用gc方法。显示的GC方法是system.gc()

垃圾回收技术

方法一：引用计数法。简单但速度很慢。缺陷是：不能处理循环引用的情况。
方法二：停止-复制(stop and copy)。效率低，需要的空间大，优点，不会产生碎片。
方法三：标记 - 清除算法 (mark and sweep)。速度较快，占用空间少，标记清除后会产生大量的碎片。

JAVA虚拟机中是如何做的？ java的做法很聪明，我们称之为”自适应”的垃圾回收器，或者是”自适应的、分代的、停止-复制、标记-清扫”式垃圾回收器。它会根据不同的环境和需要选择不同的处理方式。

heap组成(run time area)

由于GC需要消耗一些资源和时间的，Java在对对象的生命周期特征进行分析后，采用了分代的方式来进行对象的收集，即按照新生代、旧生代的方式来对对象进行收集，以尽可能的缩短GC对应用造成的暂停.
heap 的组成有三区域/世代：(可以理解随着时间，对象实例不断变换heap中的等级，有点像年级)

• 新生代 Young Generation
  
  • Eden Space 任何新进入运行时数据区域的实例都会存放在此
  • S0 Suvivor Space 存在时间较长，经过垃圾回收没有被清除的实例，就从Eden 搬到了S0
  • S1 Survivor Space 同理，存在时间更长的实例，就从S0 搬到了S1
• 旧生代 Old Generation/tenured 同理，存在时间更长的实例，对象多次回收没被清除，就从S1 搬到了tenured

• Perm 存放运行时数据区的方法区
  Java 对不同的世代使用不同的 GC 算法。

  1. Minor collection：
     新生代 Young Generation 使用将 Eden 还有 Survivor 内的数据利用 semi-space 做复制收集（Copying collection）， 并将原本 Survivor 内经过多次垃圾收集仍然存活的对象移动到 Tenured。
     Minor collection也称为YGC（Young Generation Collection）针对于New区进行的垃圾回收。当New区满了的时候，进行YGC。默认情况下Full GC会触发Minor GC，在PS GC时可通过设置-XX:-ScavengeBeforeFullGC来禁止触发Minor GC

  2. Major collection 则会进行 Minor collection，Tenured 世代则进行标记压缩收集。
     有的时候就是指Full Collection。Full Collection的时候所有的内存区都进行垃圾回收，耗费的时间比较长。系统在垃圾回收时会有明显的暂停，而且暂停时间会因为堆越大而越长。正常情况不应该出现大量的FGC。一般，GC首先使用New区特有的回收算法对New区进行回收，也就是YGC。然后，GC使用Old区的回收算法对Old区和Perm区进行回收。如果需要进行Compact，各个区分开进行压缩。

这个搬运工作都是GC 完成的，这也是garbage collector 的名字来源，而不是叫garbage cleaner. GC负责在heap中搬运实例，以及收回存储空间。

JVM server模式和client模式：JVM如果不指定-server或-client选项，JVM会在启动的时候根据硬件环境判断以server模式启动还是以client模式启动（适用于Java 5及以上版本）。
JVM工作在server模式可以大大提高性能，但应用的启动会比client模式慢大概10%。当该参数不指定时，虚拟机启动检测主机是否为服务器，如果是，则以server模式启动，否则以client模式启动，Java 5检测的根据是至少2个CPU和最低2GB内存。
当JVM用于启动GUI界面的交互应用时适合于使用client模式，当JVM用于运行服务器后台程序时建议用server模式。
JVM 堆内存：Java堆由Perm区和Heap区组成，Heap区由新生代 Young Generation区和旧生代 Old Generation/tenured区组成，New区由Eden区、From区和To区（Survivor）组成。。
Eden区用于存放新生成的对象。Eden中的对象生命不会超过一次Minor GC。

• New区的几种Collector
  
  1. 串行GC（Serial Copying）
     client模式下的默认GC方式，也可使用-XX:+UseSerialGC指定。
  2. 并行回收GC（Parallel Scavenge）
     server模式下的默认GC方式，也可用-XX:+UseParallelGC强制指定。
     采用PS时，默认情况下JVM会在运行时动态调整Eden:S0:S1的比例，如果不希望自动调整可以使用-XX:-UseAdaptiveSizePolicy参数，内存分配和回收的算法和串行相同，唯一不同仅在于回收时为多线程。
  3. 并行GC（ParNew）
     CMS GC时默认采用，也可以采用-XX:+UseParNewGC指定。
     内存分配、回收和PS相同，不同的仅在于会收拾会配合CMS做些处理。
• Old区的几种Collector
  
  1. 串行GC（Serial MSC）
     client模式下的默认GC方式，可通过-XX:+UseSerialGC强制指定。每次进行全部回收，进行Compact，非常耗费时间。
  2. 并行GC（Parallel MSC）
     server模式下的默认GC方式，也可用-XX:+UseParallelGC=强制指定。可以在选项后加等号来制定并行的线程数。
  3. 并发GC（CMS）线上环境采用的GC方式，也就是Realese环境的方式
     使用CMS是为了减少GC执行时的停顿时间，垃圾回收线程和应用线程同时执行，可以使用-XX:+UseConcMarkSweepGC=指定使用，后边接等号指定并发线程数。CMS每次回收只停顿很短的时间，分别在开始的时候（Initial Marking），和中间（Final Marking）的时候，第二次时间略长。具体CMS的过程可以参考相关文档。JStat中将Initial Mark和Remark都统计成了FGC。
     CMS一个比较大的问题是碎片和浮动垃圾问题（Floating Gabage）。碎片是由于CMS默认不对内存进行Compact所致，可以通过-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection。

总体来讲，Old区的大小较大，垃圾回收算法较费时间，导致较长时间的应用线程停止工作，而且需要进行Compact，所以不应该出现较多Major GC。Major GC的时间常常是Minor GC的几十倍。JVM内存调优的重点，减少Major GC 的次数，因为为Major GC 会暂停程序比较长的时间，如果Major GC 的次数比较多，意味着应用程序的JVM内存参数需要进行调整。

GC工作原理

JVM 分别对新生代和旧生代采用不同的垃圾回收机制

何为垃圾？
Java中那些不可达的对象就会变成垃圾。那么什么叫做不可达？其实就是没有办法再引用到该对象了。主要有以下情况使对象变为垃圾：
1. 对非线程的对象来说，所有的活动线程都不能访问该对象，那么该对象就会变为垃圾。
2. 对线程对象来说，满足上面的条件，且线程未启动或者已停止。

JVM中将对象的引用分为了四种类型，不同的对象引用类型会造成GC采用不同的方法进行回收：
（1）强引用：默认情况下，对象采用的均为强引用
（GC不会回收）
（2）软引用：软引用是Java中提供的一种比较适合于缓存场景的应用
（只有在内存不够用的情况下才会被GC）
（3）弱引用：在GC时一定会被GC回收
（4）虚引用：在GC时一定会被GC回收

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runtime data area

JVM 运行时数据区 (JVM Runtime Area) 其实就是指 JVM 在运行期间，其对JVM内存空间的划分和分配。JVM在运行时将数据划分为了6个区域来存储。

程序员写的所有程序都被加载到运行时数据区域中，不同类别存放在heap, java stack, native method stack, PC register, method area.

1. PC程序计数器（PC register）：
   一块较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器, NAMELY存储每个线程下一步将执行的JVM指令，如该方法为native的，则PC寄存器中不存储任何信息。Java 的多线程机制离不开程序计数器，每个线程都有一个自己的PC，以便完成不同线程上下文环境的切换。

2. java虚拟机栈（stack）：
   与 PC 一样，java 虚拟机栈也是线程私有的。每一个 JVM 线程都有自己的 java 虚拟机栈，这个栈与线程同时创建，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java 方法执行的内存模型：
   当线程执行一个方法时，就会随之创建一个对应的栈帧，并将建立的栈帧压栈。当方法执行完毕之后，便会将栈帧出栈。因此可知，线程当前执行的方法所对应的栈帧必定位于Java栈的顶部。讲到这里，大家就应该会明白为什么 在 使用 递归方法的时候容易导致栈内存溢出的现象了以及为什么栈区的空间不用程序员去管理了（当然在Java中，程序员基本不用关系到内存分配和释放的事情，因为Java有自己的垃圾回收机制），这部分空间的分配和释放都是由系统自动实施的。对于所有的程序设计语言来说，栈这部分空间对程序员来说是不透明的。
   每个栈帧对应一个被调用的方法，在栈帧中包括局部变量表(Local Variables)、操作数栈(Operand Stack)、指向当前方法所属的类的运行时常量池（运行时常量池的概念在方法区部分会谈到）的引用(Reference to runtime constant pool)、方法返回地址(Return Address)和一些额外的附加信息。下图表示了一个Java栈的模型：
   

   • 局部变量表，顾名思义，就是用来存储方法中的局部变量（包括在方法中声明的非静态变量以及函数形参）。对于基本数据类型的变量，则直接存储它的值，对于引用类型的变量，则存的是指向对象的引用。局部变量表的大小在编译器就可以确定其大小了，因此在程序执行期间局部变量表的大小是不会改变的。

   • 操作数栈，想必学过数据结构中的栈的朋友想必对表达式求值问题不会陌生，栈最典型的一个应用就是用来对表达式求值。想想一个线程执行方法的过程中，实际上就是不断执行语句的过程，而归根到底就是进行计算的过程。因此可以这么说，程序中的所有计算过程都是在借助于操作数栈来完成的。

   • 指向运行时常量池的引用，因为在方法执行的过程中有可能需要用到类中的常量，所以必须要有一个引用指向运行时常量。

   • 方法返回地址，当一个方法执行完毕之后，要返回之前调用它的地方，因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址。

3. 本地方法栈（native method stack）：与虚拟机栈的作用相似，虚拟机栈为虚拟机执行执行java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的本地方法服务。

4. Java堆（heap）：被所有线程共享的一块存储区域，在虚拟机启动时创建，它是JVM用来存储对象实例以及数组值的区域，可以认为Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配。

Java堆在JVM启动的时候就被创建，堆中储存了各种对象，这些对象被自动管理内存系统（Automatic Storage Management System，也即是常说的 “Garbage Collector（垃圾回收器）”）所管理。这些对象无需、也无法显示地被销毁。

JVM将Heap分为两块：新生代New Generation和旧生代Old Generation

Note:

堆在JVM是所有线程共享的，因此在其上进行对象内存的分配均需要进行加锁，这也是new开销比较大的原因。
鉴于上面的原因，Sun Hotspot JVM为了提升对象内存分配的效率，对于所创建的线程都会分配一块独立的空间，这块空间又称为TLAB
TLAB仅作用于新生代的Eden Space，因此在编写Java程序时，通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效
5、方法区（method area）
方法区和堆区域一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储每一个类的结构信息，例如运行时常量池，成员变量和方法数据，构造函数和普通函数的字节码内容，还包括一些在类、实例、接口初始化时用到的特殊方法。当开发人员在程序中通过Class对象中的getName、isInstance等方法获取信息时，这些数据都来自方法区。

方法区也是全局共享的，在虚拟机启动时候创建。在一定条件下它也会被GC。这块区域对应Permanent Generation 持久代。 XX：PermSize指定大小。

6、运行时常量池
其空间从方法区中分配，存放的为类中固定的常量信息、方法和域的引用信息。