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深入理解--JVM详解

分类: 文章 • 2025-02-20 21:25:04

原文出处：https://blog.****.net/hui_yan2012/article/details/70194449

Java Virtual Mechine

About JVM

  • 内存划分

深入理解--JVM详解

  • 堆内存分配

    VM初始分配的内存由-Xms指定，默认是物理内存的1/64；JVM最大分配的内存由-Xmx指 定，默认是物理内存的1/4。默认空余堆内存小于40%时，JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制；空余堆内存大于70%时，JVM会减少堆直到 -Xms的最小限制。因此服务器一般设置-Xms、-Xmx相等以避免在每次GC 后调整堆的大小。对象的堆内存由称为垃圾回收器的自动内存管理系统回收。 
    深入理解--JVM详解

组成 详解
Young Generation 即图中的Eden + Survivor （From Space + To Space）
Eden 存放新生的对象，也是主要对象存放位置
Survivor Space 有两个，存放每次垃圾回收后存活的对象，总会存在一个为空
Old Generation Tenured Generation 即图中的Old Space 主要存放应用程序中生命周期长的存活对象

About GC

对象存活
  • 引用计数 
    对象新增一个引用，那么计数增1.
  • 可达性分析 
    从GC roots 开始向下搜索，经历的链路成为引用链，没有被引用链关联的引用，为不可用对象。

Java中GC Roots:

  1. 虚拟机栈中引用的对象。
  2. 方法区中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。

GC 算法

  • Mark-Sweep 标记-清除

    缺点： 效率较低；碎片化严重。 
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  • Copy 复制算法

    缺点： 持续复制，效率低。 
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  • Mark-Compact 标记-压缩(老年代使用) 
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GC Collectors

  • Serial

    有点古老，串行收集，在多cpu，多core的今天，已经渐渐被淘汰：

    参数控制： -XX：+UseSerialGC

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  • ParNew

    Serial 的多线程版本，新生代并行，复制算法，老年代串行，标记-压缩算法。

    参数控制： -XX:+UseParNewGC; -XX:ParallelGCThreads 线程数量。

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  • Parallel Scavenge

    类似ParNew,他关注的系统的吞吐量，也可以通过参数实现自适应性调节控制。新生代复制算法，老年代标记-压缩算法。

  • Parallel Old

    since jdk 1.6

多线程 + 标记-整理算法

参数控制： -XX:+UseParallelOldGC

  • CMS Concurrent Mark Sweep

    一种以最短停顿为目标的收集器

    • 初始标记（initial mark） stop-the-world,标记gc roots 直接关联对象。
    • 并发标记（concurrent mark）trace gc roots
    • 重新标记（remark） stop-the-world
    • 并发清除（concurrent sweep）

    优点：并发收集，低停顿； 
    缺点：大量碎片；并发阶段；

    参数控制： -XX:+UseConcMarkSweepGC,-XX:+ UseCMSCompactAtFullCollection 在Full GC后，进行一次碎片整理；整理过程是独占的，会引起停顿时间变长. 
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  • Garbage First

    1. 空间整合，G1收集器采用标记整理算法，不会产生内存空间碎片。分配大对象时不会因为无法找到连续空间而提前触发下一次GC。

    2. 可预测停顿，这是G1的另一大优势，降低停顿时间是G1和CMS的共同关注点，但G1除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为N毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒，这几乎已经是实时Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了。

内存分为多个大小相等的独立区域(Region) 
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  • 收集步骤：

    1. 标记阶段，首先初始标记(Initial-Mark),这个阶段是停顿的(Stop the World Event)，并且会触发一次普通Mintor GC。对应GC log:GC pause (young) (inital-mark)。
    2. Root Region Scanning，程序运行过程中会回收survivor区(存活到老年代)，这一过程必须在young GC之前完成。
    3. Concurrent Marking，在整个堆中进行并发标记(和应用程序并发执行)，此过程可能被young GC中断。在并发标记阶段，若发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那个这个区域会被立即回收(图中打X)。同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性(区域中存活对象的比例)。 
      深入理解--JVM详解

    4. Remark, 再标记，会有短暂停顿(STW)。再标记阶段是用来收集 并发标记阶段 产生新的垃圾(并发阶段和应用程序一同运行)；G1中采用了比CMS更快的初始快照算法:snapshot-at-the-beginning (SATB)。

    5. Copy/Clean up，多线程清除失活对象，会有STW。G1将回收区域的存活对象拷贝到新区域，清除Remember Sets，并发清空回收区域并把它返回到空闲区域链表中。深入理解--JVM详解

    6. 复制/清除过程后。回收区域的活性对象已经被集中回收到深蓝色和深绿色区域。深入理解--JVM详解

About Monitor

jstat

HotSpot JVM 提供的一个监控工具，不仅提供GC操作的信息，还有提供类装载操作的信息以及运行时便已操作对的信息。

  • 使用方法 -> jstat -[option] [other-option] [interval] [times] ; 【jvmId】的获取 ps -ef | grep java
  • 输入参数 option
参数 描述
gc 输出每个堆区域的当前可用空间以及已用空间（Eden，Survivor等等），GC执行的总次数，GC操作累计所花费的时间。
gccapacity 输出每个堆区域的最小空间限制（ms）/最大空间限制（mx），当前大小，每个区域之上执行GC的次数。（不输出当前已用空间以及GC执行时间）。
gccause 输出-gcutil提供的信息以及最后一次执行GC的发生原因和当前所执行的GC的发生原因
gcnew 输出Young的GC性能
gcnewcapacity Young空间大小的统计
gcold OLD 空间GC性能
gcoldcapacity OLD空间大小的统计
gcpermcapacity perm大小的统计
gcutil 输出每个堆区域使用占比，以及gc执行的总次数和GC操作所花费的时间

- 输出数据介绍 ：

  • S0/S1/E/O/P [C/U] - 对应区域的空间大小和使用量，单位KB，

  • YGC/FGC[-/T] - GC的统计次数、时间

  • NGC/OGC/PGC[/MN/MX] 对应区域当前大小/最小值/最大值

  • GCC/LGCC 当前/最后一次GC的原因

  • TT 老年化阈值，在移动向老年代之前，能够在新生代存活次数。

  • MTT 最大老年化阈值，同上。

  • DSS 幸存者所需要的空间大小，单位KB

    其中： 
    C - capacity 空间大小 
    U - used 使用量 
    T - 对应GC时间

    • other-option

    • -hn 展示每次输出数据的前n行。 -h3 只显示前3行。

补充JVM的一些相关知识

Java是一种技术，它由四方面组成：Java编程语言、Java类文件格式、Java虚拟机和Java应用程序接口(Java API)。它们的关系如下图所示：
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     Java平台由Java虚拟机和Java应用程序接口搭建，Java语言则是进入这个平台的通道，用Java语言编写并编译的程序可以运行在这个平台上。这个平台的结构如下图所示：     运行期环境代表着Java平台，开发人员编写Java代码(.java文件)，然后将之编译成字节码(.class文件)，再然后字节码被装入内存，一旦字节码进入虚拟机，它就会被解释器解释执行，或者是被即时代码发生器有选择的转换成机器码执行。
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     JVM在它的生存周期中有一个明确的任务，那就是运行Java程序，因此当Java程序启动的时候，就产生JVM的一个实例；当程序运行结束的时候，该实例也跟着消失了。     在Java平台的结构中, 可以看出，Java虚拟机(JVM) 处在核心的位置，是程序与底层操作系统和硬件无关的关键。它的下方是移植接口，移植接口由两部分组成：适配器和Java操作系统, 其中依赖于平台的部分称为适配器；JVM 通过移植接口在具体的平台和操作系统上实现；在JVM 的上方是Java的基本类库和扩展类库以及它们的API， 利用Java API编写的应用程序(application) 和小程序(Java applet) 可以在任何Java平台上运行而无需考虑底层平台, 就是因为有Java虚拟机(JVM)实现了程序与操作系统的分离，从而实现了Java 的平台无关性。
     下面我们从JVM的基本概念和运过程程这两个方面入手来对它进行深入的研究。

2.JVM基本概念
(1) 基本概念：
     JVM是可运行Java代码的假想计算机 ，包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收，堆 和 一个存储方法域。JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。
(2) 运行过程：
     我们都知道Java源文件，通过编译器，能够生产相应的.Class文件，也就是字节码文件，而字节码文件又通过Java虚拟机中的解释器，编译成特定机器上的机器码 。
也就是如下：
     ① Java源文件—->编译器—->字节码文件
     ② 字节码文件—->JVM—->机器码
     每一种平台的解释器是不同的，但是实现的虚拟机是相同的，这也就是Java为什么能够跨平台的原因了 ，当一个程序从开始运行，这时虚拟机就开始实例化了，多个程序启动就会存在多个虚拟机实例。程序退出或者关闭，则虚拟机实例消亡，多个虚拟机实例之间数据不能共享。
(3) 三种JVM:
     ① Sun公司的HotSpot；
     ② BEA公司的JRockit；
     ③ IBM公司的J9 JVM；
     在JDK1.7及其以前我们所使用的都是Sun公司的HotSpot，但由于Sun公司和BEA公司都被oracle收购，jdk1.8将采用Sun公司的HotSpot和BEA公司的JRockit两个JVM中精华形成jdk1.8的JVM。

3.JVM的体系结构
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(1) Class Loader类加载器
       负责加载 .class文件，class文件在文件开头有特定的文件标示，并且ClassLoader负责class文件的加载等，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。
① 定位和导入二进制class文件
② 验证导入类的正确性
③ 为类分配初始化内存
④ 帮助解析符号引用.
(2) Native Interface本地接口:
         本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序，Java诞生的时候C/C++横行的时候，要想立足，必须有调用C/C++程序，于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native的代码，它的具体作法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载native libraies。
         目前该方法使用的越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java程序驱动打印机，或者Java系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见。
         因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用Socket通信，也可以使用Web Service等。
(3) Execution Engine 执行引擎：执行包在装载类的方法中的指令，也就是方法。
(4) Runtime data area 运行数据区:
      虚拟机内存或者Jvm内存，冲整个计算机内存中开辟一块内存存储Jvm需要用到的对象，变量等，运行区数据有分很多小区，分别为：方法区，虚拟机栈，本地方法栈，堆，程序计数器。

4.JVM数据运行区详解（栈管运行，堆管存储）：
     说明：JVM调优主要就是优化 Heap堆 和 Method Area 方法区。
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(1) Native Method Stack本地方法栈
         它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载native libraies。
(2) PC Register程序计数器
         每个线程都有一个程序计算器，就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（下一个将要执行的指令代码），由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不记。
(3) Method Area方法区
         方法区是被所有线程共享，所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在此定义。简单说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，此区域属于共享区间。
         静态变量+常量+类信息+运行时常量池存在方法区中，实例变量存在堆内存中。
(4) Stack 栈
     ① 栈是什么
         栈也叫栈内存，主管Java程序的运行，是在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就Over，生命周期和线程一致，是线程私有的。
          基本类型的变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分配。
     ② 栈存储什么？
     栈帧中主要保存3类数据：
          本地变量（Local Variables）：输入参数和输出参数以及方法内的变量；
          栈操作（Operand Stack）：记录出栈、入栈的操作；
          栈帧数据（Frame Data）：包括类文件、方法等等。
     ③ 栈运行原理
     栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在，栈帧是一个内存区块，是一个数据集，是一个有关方法和运行期数据的数据集，当一个方法A被调用时就产生了一个栈帧F1，并被压入到栈中，A方法又调用了B方法，于是产生栈帧F2也被压入栈，B方法又调用了C方法，于是产生栈帧F3也被压入栈…… 依次执行完毕后，先弹出后进......F3栈帧，再弹出F2栈帧，再弹出F1栈帧。
     遵循“先进后出”/“后进先出”原则。
(5) Heap 堆
     堆这块区域是JVM中最大的，应用的对象和数据都是存在这个区域，这块区域也是线程共享的，也是 gc 主要的回收区，一个 JVM 实例只存在一个堆类存，堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后，需要把类、方法、常变量放到堆内存中，以方便执行器执行，堆内存分为三部分：
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       ① 新生区
       新生区是类的诞生、成长、消亡的区域，一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。新生区又分为两部分：伊甸区（Eden space）和幸存者区（Survivor pace），所有的类都是在伊甸区被new出来的。幸存区有两个：0区（Survivor 0 space）和1区（Survivor 1 space）。当伊甸园的空间用完时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园进行垃圾回收（Minor GC）,将伊甸园中的剩余对象移动到幸存0区。若幸存0区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到1区。那如果1去也满了呢？再移动到养老区。若养老区也满了，那么这个时候将产生Major GC（FullGCC），进行养老区的内存清理。若养老区执行Full GC 之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常“OutOfMemoryError”。
     如果出现java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space异常，说明Java虚拟机的堆内存不够。原因有二：
    a.Java虚拟机的堆内存设置不够，可以通过参数-Xms、-Xmx来调整。
     b.代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）。
     ② 养老区
         养老区用于保存从新生区筛选出来的 JAVA 对象，一般池对象都在这个区域活跃。
     ③ 永久区
         永久存储区是一个常驻内存区域，用于存放JDK自身所携带的 Class,Interface 的元数据，也就是说它存储的是运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭 JVM 才会释放此区域所占用的内存。
     如果出现java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space，说明是Java虚拟机对永久代Perm内存设置不够。原因有二：
     a. 程序启动需要加载大量的第三方jar包。例如：在一个Tomcat下部署了太多的应用。
     b. 大量动态反射生成的类不断被加载，最终导致Perm区被占满。
     说明：
     Jdk1.6及之前：常量池分配在永久代 。
     Jdk1.7：有，但已经逐步“去永久代” 。
     Jdk1.8及之后：无(java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,这种错误将不会出现在JDK1.8中)。
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     说明：方法区和堆内存的异议：
     实际而言，方法区和堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储虚拟机加载的：类信息+普通常量+静态常量+编译器编译后的代码等等，虽然JVM规范将方法区描述为堆的一个逻辑部分，但它却还有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的就是要和堆分开。
     对于HotSpot虚拟机，很多开发者习惯将方法区称之为“永久代（Parmanent Gen）”,但严格本质上说两者不同，或者说使用永久代来实现方法区而已，永久代是方法区的一个实现，jdk1.7的版本中，已经将原本放在永久代的字符串常量池移走。
     常量池（Constant Pool）是方法区的一部分，Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息就是常量池，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

5.堆内存调优简介
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代码测试：
[java] view plain copy
  1. <span style="font-family:'Microsoft YaHei';font-size:14px;">public class JVMTest {  
  2.      public static void main(String[] args){  
  3.           long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();//返回Java虚拟机试图使用的最大内存量。  
  4.           Long totalMemory = Runtime. getRuntime().totalMemory();//返回Java虚拟机中的内存总量。  
  5.           System.out.println("MAX_MEMORY ="+maxMemory +"(字节)、"+(maxMemory/(double)1024/1024) + "MB");  
  6.           System.out.println("TOTAL_ MEMORY = "+totalMemory +"(字节)"+(totalMemory/(double)1024/1024) + "MB");  
  7.      }  
  8. }</span>  
说明：在Run as ->Run Configurations中输入"-XX:+PrintGCDetails"可以查看堆内存运行原理图：
(1) 在jdk1.7中：
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 (2) 在jdk1.8中:
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6.通过参数设置自动触发垃圾回收：
public class JVMTest {
     public static void main(String[] args){
          long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();//返回Java虚拟机试图使用的最大内存量。
          Long totalMemory = Runtime. getRuntime().totalMemory();//返回Java虚拟机中的内存总量。
          System.out.println("MAX_MEMORY ="+maxMemory +"(字节)、"+(maxMemory/(double)1024/1024) + "MB");
          System.out.println("TOTAL_ MEMORY = "+totalMemory +"(字节)"+(totalMemory/(double)1024/1024) + "MB");
          String str = "www.baidu.com";
          while(true){
              str += str + new Random().nextInt(88888888) + new Random().nextInt(99999999);
          }
     }
}
 在Run as ->Run Configurations中输入设置“-Xmx8m –Xms8m –xx:+PrintGCDetails”可以参看垃圾回收机制原理:
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