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JVM知识点总览-中高级Java工程师面试必备,jvm总览

2019年10月5日 - 电脑百科
JVM知识点总览-中高级Java工程师面试必备,jvm总览

Java虚拟机运行时数据区

JVM知识点总览-中高级Java工程师面试必备,jvm总览

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对于搞开发的我们其实也是一样,现在流行的框架越来越多,封装的也越来越完善,各种框架可以搞定一切,几乎不用关注底层的实现,初级程序员只要熟悉基本的使用方法,便可以快速的开发上线;但对于高级程序员来讲,内功的修炼却越发的重要,比如算法、设计模式、底层原理等,只有把这些基础熟练之后,才能在开发过程中知其然知其所以然,出现问题时能快速定位到问题的本质。
  
 对于Java程序员来讲,spring全家桶几乎可以搞定一切,spring全家桶便是精妙的招式,jvm就是内功心法很重要的一块,线上出现性能问题,jvm调优更是不可回避的问题。因此JVM基础知识对于高级程序员的重要性不必言语.
    一.jvm体系总体分四大块:
        1.类的加载机制
        2.jvm内存结构
        3.GC算法 垃圾回收
        4.GC分析 命令调优
    二.类的加载机制
        1.什么是类的加载
        2.类的生命周期
        3.类加载器
        4.双亲委派模型
    三.什么是类的加载
       
类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中,将其放在运行时数据区的方法区内,然后在堆区创建一个java.lang.Class对象,用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象,Class对象封装了类在方法区内的数据结构,并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。
    四.类的生命周期
       
1.加载,查找并加载类的二进制数据,在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象
       
2.连接,连接又包含三块内容:验证、准备、初始化。1)验证,文件格式、元数据、字节码、符号引用验证;2)准备,为类的静态变量分配内存,并将其初始化为默认值;3)解析,把类中的符号引用转换为直接引用
        3.初始化,为类的静态变量赋予正确的初始值
        4.使用,new出对象程序中使用
        5.卸载,执行垃圾回收
    五.类加载器
        1.启动类加载器:Bootstrap
ClassLoader,负责加载存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安装目录,下同)下,或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的,并且能被虚拟机识别的类库
        2.扩展类加载器:Extension
ClassLoader,该加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现,它负责加载DK\jre\lib\ext目录中,或者由java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库(如javax.*开头的类),开发者可以直接使用扩展类加载器。
        3.应用程序类加载器:Application
ClassLoader,该类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现,它负责加载用户类路径(ClassPath)所指定的类,开发者可以直接使用该类加载器
    六.类加载机制
       
1.全盘负责,当一个类加载器负责加载某个Class时,该Class所依赖的和引用的其他Class也将由该类加载器负责载入,除非显示使用另外一个类加载器来载入
       
2.父类委托,先让父类加载器试图加载该类,只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类
       
3.缓存机制,缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存,当程序中需要使用某个Class时,类加载器先从缓存区寻找该Class,只有缓存区不存在,系统才会读取该类对应的二进制数据,并将其转换成Class对象,存入缓存区。这就是为什么修改了Class后,必须重启JVM,程序的修改才会生效
    七.jvm内存结构
       
1.方法区和对是所有线程共享的内存区域;而java栈、本地方法栈和程序员计数器是运行是线程私有的内存区域。
       
2.Java堆(Heap),是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。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。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
        3.方法区(Method Area),方法区(Method
Area)与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被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。
        4.程序计数器(Program Counter Register),程序计数器(Program
Counter
Register)是一块较小的内存空间,它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
        5.JVM栈(JVM Stacks),与程序计数器一样,Java虚拟机栈(Java
Virtual Machine
Stacks)也是线程私有的,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:每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(Stack
Frame)用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
        6.本地方法栈(Native Method Stacks),本地方法栈(Native Method
Stacks)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。
    八.对象分配规则
       
1.对象优先分配在Eden区,如果Eden区没有足够的空间时,虚拟机执行一次Minor
GC。
       
2.大对象直接进入老年代(大对象是指需要大量连续内存空间的对象)。这样做的目的是避免在Eden区和两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝(新生代采用复制算法收集内存)。
       
3.长期存活的对象进入老年代。虚拟机为每个对象定义了一个年龄计数器,如果对象经过了1次Minor
GC那么对象会进入Survivor区,之后每经过一次Minor
GC那么对象的年龄加1,知道达到阀值对象进入老年区。
       
4.动态判断对象的年龄。如果Survivor区中相同年龄的所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半,年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代。
        5.空间分配担保。每次进行Minor
GC时,JVM会计算Survivor区移至老年区的对象的平均大小,如果这个值大于老年区的剩余值大小则进行一次Full
GC,如果小于检查HandlePromotionFailure设置,如果true则只进行Monitor
GC,如果false则进行Full GC。
    九.GC算法
    GC最基础的算法有三种:标记
-清除算法、复制算法、标记-压缩算法,我们常用的垃圾回收器一般都采用分代收集算法。
        1.标记
-清除算法,“标记-清除”(Mark-Sweep)算法,如它的名字一样,算法分为“标记”和“清除”两个阶段:首先标记出所有需要回收的对象,在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。
       
2.复制算法,“复制”(Copying)的收集算法,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,然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。
       
3.标记-压缩算法,标记过程仍然与“标记-清除”算法一样,但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理,而是让所有存活的对象都向一端移动,然后直接清理掉端边界以外的内存
        4.分代收集算法,“分代收集”(Generational
Collection)算法,把Java堆分为新生代和老年代,这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。
    十.垃圾回收器
       
1.Serial收集器,串行收集器是最古老,最稳定以及效率高的收集器,可能会产生较长的停顿,只使用一个线程去回收。
        2.ParNew收集器,ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本。
        3.Parallel收集器,Parallel
Scavenge收集器类似ParNew收集器,Parallel收集器更关注系统的吞吐量。
        4.Parallel Old 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
        5.CMS收集器,CMS(Concurrent Mark
Sweep)收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。
        6.G1收集器,G1
(Garbage-First)是一款面向服务器的垃圾收集器,主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器.
以极高概率满足GC停顿时间要求的同时,还具备高吞吐量性能特征
        7.GC算法和垃圾回收器算法图解以及更详细内容参考JVM(3):Java
GC算法 垃圾收集器
    十一.GC日志分析
        摘录GC日志一部分(前部分为年轻代gc回收;后部分为full
gc回收):
        2016-07-05T10:43:18.093+0800: 25.395: [GC [PSYoungGen:
274931K->10738K(274944K)] 371093K->147186K(450048K), 0.0668480
secs] [Times: user=0.17 sys=0.08, real=0.07 secs]
        2016-07-05T10:43:18.160+0800: 25.462: [Full GC [PSYoungGen:
10738K->0K(274944K)] [ParOldGen: 136447K->140379K(302592K)]
147186K->140379K(577536K) [PSPermGen: 85411K->85376K(171008K)],
0.6763541 secs] [Times: user=1.75 sys=0.02, real=0.68 secs]
      
 通过上面日志分析得出,PSYoungGen、ParOldGen、PSPermGen属于Parallel收集器。其中PSYoungGen表示gc回收前后年轻代的内存变化;ParOldGen表示gc回收前后老年代的内存变化;PSPermGen表示gc回收前后永久区的内存变化。young
gc 主要是针对年轻代进行内存回收比较频繁,耗时短;full gc
会对整个堆内存进行回城,耗时长,因此一般尽量减少full gc的次数
    十二.调优命令
    Sun JDK监控和故障处理命令有jps jstat jmap jhat jstack jinfo
        1.jps,JVM Process Status
Tool,显示指定系统内所有的HotSpot虚拟机进程。
        2.jstat,JVM statistics
Monitoring是用于监视虚拟机运行时状态信息的命令,它可以显示出虚拟机进程中的类装载、内存、垃圾收集、JIT编译等运行数据。
        3.jmap,JVM Memory Map命令用于生成heap dump文件
        4.jhat,JVM Heap Analysis
Tool命令是与jmap搭配使用,用来分析jmap生成的dump,jhat内置了一个微型的HTTP/HTML服务器,生成dump的分析结果后,可以在浏览器中查看
        5.jstack,用于生成java虚拟机当前时刻的线程快照。
        6.jinfo,JVM Configuration info
这个命令作用是实时查看和调整虚拟机运行参数。
        详细的命令使用参考这里JVM(4):Jvm调优-命令篇
    十三.调优工具
  
 常用调优工具分为两类,jdk自带监控工具:jconsole和jvisualvm,第三方有:MAT(Memory
Analyzer Tool)、GChisto。
        1.jconsole,Java Monitoring and Management
Console是从java5开始,在JDK中自带的java监控和管理控制台,用于对JVM中内存,线程和类等的监控
       
2.jvisualvm,jdk自带全能工具,可以分析内存快照、线程快照;监控内存变化、GC变化等。
        3.MAT,Memory Analyzer
Tool,一个基于Eclipse的内存分析工具,是一个快速、功能丰富的Java
heap分析工具,它可以帮助我们查找内存泄漏和减少内存消耗
        4.GChisto,一款专业分析gc日志的工具

对于搞开发的我们其实也是一样,现在流行的框架越来越多,封装的也越来越完善,各种…

图片 2

 

对象的创建

Java创建对象,在语言层面上使用new关键字。虚拟机遇到new关键字时,会检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用,并且检查这个符号引用代表的类是否已经被加载、解析和初始化过。如果没有,那就必须先执行类加载过程。类加载通过之后,虚拟机将会为新生对象分配内存。对象所需的内存在类加载完成后就能完全确定。分配内存的方法有“指针碰撞”和“空闲列表”两种方式,如果Java堆是规整的,则采用前者;否则,采用后者。Java堆是否规则和虚拟机有关。

深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践
第2版 高清PDF+源码 
http://www.linuxidc.com/Linux/2014-09/106869.htm

OOM

在虚拟机中,能够发生OOM的有:虚拟机栈,本地方法栈,Java堆,方法区,运行时常量。分析OOM使用eclipse
memory
analyzer插件或者JProfiler工具。添加jvm参数(-XX:+PrintGCDetails)可以打印出GC的详细日志,-Xloggc:gc.log
日志文件的输出路径。

Java堆

几乎所有的对象的视力都在这里分配内存。通过参数-Xmx(JVM最大可用内存)和-Xms(JVM初始可用内存)控制对的大小。如果在堆中没有内存完成实例分配并且堆无法扩展,就会OOM。栈-Xss设置栈的容量大小。HotSpot不区分本地方法栈和虚拟机栈。如果虚拟机在申请栈扩展时,没有足够的空间,则会OOM。

垃圾收集器与内存分配策略

判断对象是否存活,两种方式:引用计数法和可达性分析。

引用计数法,不能解决对象相互引用的情况,所以主流虚拟机都采用的是可达性分析。

可达性分析采用采用GCROOTS策略,可作为GCROOTS的有:

一、不同虚拟机对比表

图片 3

 

虚拟机 新生代 老年代 垃圾算法 备注
Serial   复制算法  
ParNew   复制算法  
Parallel Scavenge   复制算法  
Serial Old   标记-整理算法  
Parallel Old   标记-整理算法  
CMS   标记-清除算法  
G1   综合算法 目前最先进的垃圾回收器

 

二、理解GC日志

下面是一次GC产生的日志(jvm参数-XX:+PrintGCDetails):

图片 4

从日志中可以看到,System.gc()表示程序调用了System.gc()方法触发了垃圾回收,[PSYoungGen:3932k->592k(76288k)]中PSYoungGen代表了GC发生的区域,这个名称和GC收集器密切相关:如果显示的是[DefNew,则表明是Serial收集器的新生代;如果是ParNew则表明是ParNew收集器的新生代;我们这里是PSYoungGen,则表明是Parallel
Scavenge收集器的新生代。再看后面是数字,3932k->592k(76288k)代表的是:GC前该内存已经使用的容量->GC后该内存区域使用的容量(该内存区域总容量)。3932K->600K(251392K)表示GC前Java堆已经使用的容量->GC后Java堆已经使用的容量(Java堆总容量)。后面的时间表示GC所花费的时间,单位s。 

三、内存分配与回收策略

1、对象优先分配在Eden区

大多数情况下,对象首先会被分配到Eden区,当Eden区满了,会触发一次Minor
GC。

大对象直接进入老年区

所谓的大对象是指,需要大量连续内存空间的Java对象,最典型的大对象就是那种很长的字符串以及数组(笔者列出的例子中的byte[]数组就是典型的大对象)。虚拟机提供了一个-XX:PretenureSizeThreshold参数,令大于这个设置值的对象直接在老年代分配。这样做的目的是避免在Eden区及两个Survivor区之间发生大量的内存复制(复习一下:新生代采用复制算法收集内存)。

2、长期存活的对象进入老年区

对象在Survivor区中每“熬过”一次Minor
GC,年龄就增加1岁,当它的年龄增加到一定程度(默认为15岁),就将会被晋升到老年代中。对象晋升老年代的年龄阈值,可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold设置。

3、动态对象年龄的判断

虚拟机并不是永远地要求对象的年龄必须达到了MaxTenuringThreshold才能晋升老年代,如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半,年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代,无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。

4、空间分配担保

在发生Minor
GC之前,虚拟机会先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间,如果这个条件成立,那么Minor
GC可以确保是安全的。如果不成立,则虚拟机会查看HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败。如果允许,那么会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小,如果大于,将尝试着进行一次Minor
GC,尽管这次Minor GC是有风险的,如果担保失败则会进行一次Full
GC;如果小于,或者HandlePromotionFailure设置不允许冒险,那这时也要改为进行一次Full
GC。

虚拟机性能监控与故障处理工具

jps:虚拟机进程状况工具

jps格式:jps [options] [hostid]

功能:列出正在执行的虚拟机进程,并显示虚拟机执行主类(Main
Class,main()函数所在的类)名称以及这些进程的本地虚拟机唯一ID(Local
Virtual Machine Identifier,LVMID)。

选项 作用
-q 只输出LVMID,省略主类的名称
-m 输出虚拟机进程启动时传给主类main()的参数
-l 输出主类的全名,如果主类执行的是jar,则输出jar的路径
-v 输出虚拟机进程启动时传给jvm的参数

jstat:虚拟机统计信息监视工具

功能:它可以显示本地或者远程[1]虚拟机进程中的类装载、内存、垃圾收集、JIT编译等运行数据。

命令格式:jstat [option vmid [ interval [s|ms] [count] ]
]
,参数interval和count代表查询间隔和次数。

其中,如果进程是本地虚拟机进程,则vmid与lvmid一致;如果是远程虚拟机进程,则vmid格式为:[protocol:][//]lvmid[@hostname[:port]/servername]

举例:

图片 5

S0代表Survivor0;S1代表Survivor1;E代表Eden区;O代表Old区;M代表Metaspace元数据区域(JDK1.8用Metaspace代替了1.7以前的PermGen永久代);CCS表示的是NoKlass
Metaspace的使用率也就是CCSU,/CCSC算出来的,具体可参看这里,总之在1.7之前,M所在的位置是P,表示永久代使用的比例;YGC代表程序运行以来共发生Minor
GC;YGCT表示其所用的时间;FGC代表程序运行以来共发生Full
GC;FGCT表示其所用的时间;GCT表示GC总共花费了所长时间。

jinfo:Java配置信息工具

格式:jinfo [option] pid

作用:实时的查看和调整java虚拟机各项参数。

jmap:Java内存映像工具

格式:jmap [option] vmid

作用:用于生成堆转储快照(一般称为heapdump或dump文件)。

选项 作用
-dump 生成Java堆转储快照。格式:-dump:[live,] format -b,file=<filename>,其中live字参数说明是否只dump存活的对象。
-heap 显示Java堆详细信息,只在Linux/Solaris平台下有效
-histo 显示Java堆中对象统计信息
-F 当虚拟机对-dump选项没有响应时,该参数可以强制生成dump快照。只在Linux/Solaris平台下有效

jhat:虚拟机堆转储快照分析工具

作用:配合jmap命令,分析dump文件。jhat内置了一个微型的HTTP/HTML服务器,生成dump文件的分析结果可以在浏览器中查看。

命令:jhat dumpfile

一般使用专业的工具进行分析,例如:VisualVM,Eclipse Memory Analyzer,IBM
HeapAnalyzer等。

jstack:Java堆栈跟踪工具

格式:jstack [option] vmid

作用:用于生成虚拟机当前时刻的线程快照,生成线程快照的主要目的是定位线程出现长时间停顿的原因,如线程间死锁、死循环、请求外部资源导致的长时间等待等都是导致线程长时间停顿的常见原因。线程出现停顿的时候通过jstack来查看各个线程的调用堆栈,就可以知道没有响应的线程到底在后台做些什么事情,或者等待着什么资源。

类文件结构

1. 无关性的基石

任何语言,不局限于Java,都可以在虚拟机上运行。Java虚拟机不care
.class文件来自何种语言。

图片 6

2. Class类文件结构(这部分看不懂,需要汇编知识,后续补充)

Class文件是一组以8位字节为基��单位的二进制流,各个数据项目严格按照顺序紧凑地排列在Class文件之中,中间没有添加任何分隔符

根据Java虚拟机规范规定,Class文件中采用类似C语言结构体中的伪结构体来存储数据,这种结构体中只存在两种数据结构:无符号数和表。

2.1 魔数和Class文件的版本

每个Class文件的头4个字节被称为魔数,它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件。Class文件的魔数为:0xCAFFEEBABE。紧接着魔数的4个字节存储的是Class文件的版本号:第5和第6个字节是次版本号(Minor
Version),第7和第8个字节是主版本号(Major
Version)。Java的版本号是从45开始的,JDK
1.1之后的每个JDK大版本发布主版本号向上加1(JDK
1.0~1.1使用了45.0~45.3的版本号),高版本的JDK能向下兼容以前版本的Class文件,但不能运行以后版本的Class文件,即使文件格式并未发生任何变化,虚拟机也必须拒绝执行超过其版本号的Class文件。 

2.2 常量池

紧接着主版本号后面的是常量池入口。

更多详情见请继续阅读下一页的精彩内容
http://www.linuxidc.com/Linux/2017-06/144523p2.htm

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