深入理解jvm虛擬機一

• JVM
• • Jvm基本概念
  • 運行過程
  • 內存區域
  • • 程序計數器
    • 虛擬機棧
    • 本地方法棧
    • 堆
    • 方法區/永久代
    • 1.8元數據區
• 回收與收集
• • 兩大回收
  • • 引用計數法
    • 可達性分析
  • 四大引用
  • • 強引用
    • 軟引用
    • 弱引用
    • 虛引用
• 回收算法
• • 標記-清除（Mark-Sweep）
  • 復制（Copying）
  • 標記-整理（Mark-Compact）
  • 分代算法
  • • 新生代
    • 老年代

JVM

Java與Jvm的關系似魚和水，而開發者與Jvm的關系似情侶相愛相殺。愛它不用像C、C++擺弄指針,把內存控制的權利交給它,恨它一旦出現內存泄漏和溢出方面的問題，如果不理解它的話，無從下手，更別談優化了。

Jvm基本概念

JVM及Java虛擬機，是可運行Java代碼的假象計算機，Jvm是運行在操作系統之上的，它與硬件沒有直接交互。

運行過程

我們都知道Java源文件，通過編譯器，能夠生成相應的.class文件，也就是字節碼文件，而字節碼文件又能通過jvm的解釋器，編譯成機器上的機器碼，大概流程如下：Java源文件—>編譯器—>字節碼文件—>jvm—>機器碼，雖然每個平臺的解釋器不同，但是虛擬機是相同的，這也就是為什么java是跨平臺的。

內存區域

Jvm把Java程序運行時的內存劃分為不同的數據區域，如圖所示：

jvm內存區域主要分為線程私有（程序計數器、虛擬機棧、本地方法棧）、線程共享（堆、方法區）、直接內存，線程私有的生命周期與線程相同，依賴用戶線程的啟動/結束而創建/銷毀，線程共享隨虛擬機開啟/關閉而創建/銷毀。直接內存并不是jvm運行時數據區的一部分，在 JDK 1.4 引入的 NIO 提供了基于 Channel 與 Buffer 的 IO 方式， 它可以使用 Native 函數庫直接分配堆外內存，然后使用DirectByteBuffer 對象作為這塊內存的引用進行操作，這樣就避免了在 Java堆和 Native 堆中來回復制數據，因此在一些場景中可以顯著提高性能。

程序計數器

一塊較小的內存空間，是當前線程所執行到的字節碼的行號指令器，每個線程都是獨立運行的，如果正在執行的是Java方法，則記錄的是正在執行的虛擬機字節碼行號，如果是native方法，則為空，此區域也是唯一一個在虛擬機中沒有規定任何 OOM 情況的區域。

虛擬機棧

生命周期與線程相同，是描述Java方法執行的內存模型，每個方法在執行的時候都會創建一個棧針，用于存放局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息。每一個方法從調用直至執行結束對應棧針在虛擬機中的入棧和出棧。如果虛擬機棧請求棧深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出StrakOverflowError異常；如果擴展時無法申請到足夠的內存，將拋出OOM異常，可以通過xss參數來調節大小，默認1M。

本地方法棧

與虛擬機中作用相似，區別是虛擬機棧為Java方法服務的，而本地方法棧是為native服務的，它也會拋出同虛擬機棧一樣的異常。

堆

是用來存放被創建的對象、數組，也是垃圾回收器進行垃圾回收的主要內存區域，可以通過xms、xmx來設置初始化堆大小、最大堆大小，默認是最小1/64，最大1/4。由于現代的垃圾回收器都是采用分代回收，因此堆從GC的角度還可以細分為：新生代（Eden區、From Survivor區、To Survivor區）和老年代。

方法區/永久代

用來存放被Jvm加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯后的代碼數據，HotSpot VM把GC分代收集擴展至方法區， 即使用Java堆的永久代來實現方法區， 這樣 HotSpot 的垃圾收集器就可以像管理 Java 堆一樣管理這部分內存，而不必為方法區開發專門的內存管理器(永久帶的內存回收的主要目標是針對常量池的回收和類型的卸載，因此收益一般很小)，通過設置PermSize和MaxPermSize設置初始化和最大上限（1.7以前）。

1.8元數據區

在Jdk1.8取消了永久代，不在使用虛擬機內的永久代而是改用本地內存——元數據區（Metaspace），通過MetaspaceSize和MaxMetaspaceSize來設置初始化和最大上限。至于為什么不使用，理由如下：
1. 永久代調優很難，會為 GC 帶來不必要的復雜度，并且回收效率偏低。
2. 字符串存在永久代中，容易出現性能問題和內存溢出。
3. 類及方法的信息等比較難確定其大小，因此對于永久代的大小指定比較困難，太小容易出現永久代溢出，太大則容易導致老年代溢出。
4. Oracle 可能會將HotSpot 與 JRockit 合二為一。

回收與收集

兩大回收

在堆里幾乎存放了所有的實例，垃圾回收前，需要判斷哪些對象“活著”，哪些對象“死去”。

引用計數法

在java中引用和對象是有關聯的，如果操作對象就必須用引用來進行。因此通過引用計數法來判斷一個對象是否可以被回收，被引用則計數器+1，引用失效則計數器-1，直到引用計數為0，這是基本的也是比較高效的，但是無法避免相互引用。

可達性分析

為了避免相互引用問題，Java使用的可達性分析的方法，通過“GC roots”對象作為起點搜索，如果沒有可達路徑，則該對象不可達，可以被回收。即使這樣，也不是說必須回收，如果該對象覆蓋了finalize()方法，重新引用對象可以進行自救，只會自救一次。因為這個方法對運行代價高，不穩定性，因此也不推薦使用。在Java中GC roots對象包括下面四種：
1. 虛擬機棧(棧針中變量表)引用的對象
2. 本地方法棧(JNI)引用的對象
3. 方法區中類靜態屬性引用的對象
4. 方法區中常量引用的對象

四大引用

無論是引用計數法還是可達性分析，都與Java中引用有關。

強引用

Java中常見的引用，Object obj=new Object，即使虛擬機拋出OOM（內存溢出）也不會釋放這部分引用，這部分容易造成內存泄漏。

軟引用

需要用SoftReference類實現，描述一些還有用但非必需的對象，當系統內存足夠時，是不會回收這部分資源，只有在系統內存不夠時，這部分則會被回收。

弱引用

需要用WeakReference類實現，它比軟引用存活時間更短，它的生命周期只存活在下一次垃圾回收之前。

虛引用

需要 PhantomReference 類來實現，隨時被回收，它不能單獨使用，必須和引用隊列聯合使用，虛引用的主要作用是跟蹤對象被垃圾回收的狀態。

回收算法

標記-清除（Mark-Sweep）

最基本的垃圾回收算法，分為兩個階段：標記、清除。標記可以被回收的對象，清除所有被標記的對象。
缺點：空間碎片化嚴重，標記清除，效率都不高。

復制（Copying）

為了解決碎片化問題，按內存容量一分為二，每次只用其中的一塊，當一塊存滿時候，把存活的對象復制到另外一塊上，把已使用的內存塊清除。
缺點：內存使用率低。

標記-整理（Mark-Compact）

結合以上兩個算法，標記類似于Mark-Sweep，標記后不是清理對象，而是把存活的對象移向內存的一端，把端以外的對象清除。

分代算法

分代算法是目前大多數JVM使用的回收算法，根據對象存活的不同生命周期來劃分內存區域，一般化為老年代和新生代，老年代特點每次垃圾回收只有少量對象被回收，新生代特點每次垃圾回收都會有大量對象被回收，這樣就可以根據不同區域來選擇不同的回收算法。

新生代

目前大多數JVM新生代都是采用復制算法，因為新生代需要回收大部分對象，并不是按照1:1來劃分新生代，而是劃分為一塊較大的Eden空間和兩個較小的Survivor空間（from ，to），每次都使用Eden和一部分Survivor區域，當進行回收時，把存活的對象復制到另一塊Survivor空間，通過xmn調整新生代大小。

對象優先分配在新生代，大對象直接則進入老年代（設置-xx:PretenureSizeThreshold參數），長期存活的對象進入老年代(設置-xx:MaxTenuringThreshold，默認15次)，為了更加適應程序的內存狀態，并不是要求年齡必須到15才會進入老年代，如果在Survivor空間中所有對象大小的總和大于Survivor空間的一半，年齡大于或等于該年齡的對象也可以直接進入老年代。

老年代

老年代存放生命周期比較長的，對象相對穩定，所以采用標記清除或者整理。
Minor GC：當新生代內存不足，回收新生代（Ende區和兩個Survivor）內存。
Major GC：清理老年代，一般伴隨著一次Minor，效率比Minor要慢。
Full GC：清理整個堆空間，一般調優也就是堆fullGC進行優化，因為它會停止操作，單一線程進行GC。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的深入理解jvm虚拟机一的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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