JVM学习一

JVM学习一

jvm的内存结构、相关的垃圾算法、分代回收算法、相关溢出的问题排查思路

jvm的内存结构：可以看到我们的java文件会首先编译成class文件，经过类加载器进行加载，然后经过jvm的相关区域：f方法区、堆、虚拟机栈、程序计数器、本地方法栈等地，可以进行本地方法接口进行调用，执行引擎，进行编译，执行程序。当中涉及到垃圾回收。

1.程序计数器：Program Count Register

寄存器，记住下一条jvm指令的执行地址，是线程私有的，JVM中唯一不会存在内存溢出的。

2.虚拟机栈：Java Virtual Mechinal Stacks

每个线程只能有一个活动栈帧，通常是参数、局部变量、返回地址，对应着当前正在执行的那个方法

栈帧：每个方法运行时需要的内存。

垃圾回收设计栈内存吗？不涉及栈内存。

栈内存的分配越大越好吗？

不是的，通常是默认的，1024k，其中linux和mac电脑默认是1024k，而windows是根据系统而定。由于一个线程对应一个栈帧，如果越大，则会拖慢虚拟机的运行性能。

方法内的局部变量是否线程安全？

如果方法内的局部变量没有逃离方法的作用访问，则它是线程安全的，如果局部变量应用了对象，并逃离方法的作用范围，则需要考虑线程安全的问题。也即与变量的作用域有关。

栈内存溢出：栈帧过多、过大都会导致栈内存溢出。

栈内存溢出的排查方法：

首先采用top命令，查看当前是哪个进程cpu占用过高

接着采用ps H -eo pid,tid,%cpu |grep 进程id

用jstack 进程id排查到有问题线程，定位到问题代码的行号，从而解决问题。

3.本地方法栈：Native Method Stacks

主要存放操作系统的方法，存放native方法的内存调用。

4.堆：Heap

通过new关键字创建的对象都会被存放在堆内存中。它是线程共享的，堆中对象都需要考虑线程安全的问题，同时有垃圾回收机制。

堆溢出问题解决：

通常会出现java.lang.OutofMemoryError：java heap space的错误信息。

首先通过jps查看到当前有哪些java进程在运行。

接着采用jmap查看堆使用情况，通常jmap只能查看某一时刻的信息。jmap -heap 进程id

jconsole工具可以以图形化界面看到相关的监控信息，做到连续监控。连接jconsole,打开其图形化界面，进行查看。

采用jvisualvm ,可以进行堆dump日志分析，排查问题。

5.方法区：Method Area

主要存放成员方法、方法、构造方法、运行时常量池(String Table)

虚拟机启动时被创建，逻辑上是堆的一部分。jdk1.7及以前，存放在永久代中。而jdk1.8的时候存放在metaspace中。

方法区jdk1.7的时候会出现溢出，但jdk1.8之后存放在metaspace元空间中，因此通常情况下不会出现内存溢出的情况。

方法区常量池：运行时常量池StringTable

常量池就是一张类似于hash一样的表。虚拟机指令根据这张表找到执行的类名、方法名、类、字面量等信息。当类文件被加载时常量信息会加载到运行时常量池中，并把里面的符号地址变成真实地址。

串池（调用intern方法就可以放入)中如果有的常量，则不会到常量池中去找，其加载策略是惰性的。常量池中的字符串是符号，第一次用到时才是对象。同时利用串池可以避免重复创建，节省内存。字符串拼接通常是在编译期优化的。

如果项目中常量信息较多，同时又有重复，则可以考虑串池进行调优。同时如果常量信息较多，也可以调大桶的个数，由于其本身就是一张表。-XX:stringTableSize=桶个数

6.直接内存：Direct Memory

操作系统内存，常用于NIO操作时，用于数据缓冲区，分配回收成本较高，但读写性能高，不受jvm内存回收管理。

分配与回收：使用unsafe对象完成直接内存的分配和回收，分配内存可以采用allocateMemory来进行分配内存，并且回收需要主动调用freeMemory方法。ByteBuffer的实现类内部使用了cleaner虚引用来监测ByteBuffer对象，一旦ByteBuffer对象被垃圾回收，那么就会由ReferenceHandler线程通过clear的clean方法调用freeMemory来释放内存。

相关引用

强引用、软引用、弱引用、虚引用、终结器引用

强引用：只有所有GC roots对象都不通过强引用引用该对象，该对象才能被垃圾回收。

软引用：仅有软引用该对象，在垃圾回收后，内存还不足时会再次触发垃圾回收，回收软引用对象，可以配合引用队列来释放引用自身。

弱引用：仅有弱引用引用该对象时，在垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收弱引用对象，可以配合引用队列来释放引用自身。

虚引用：必须配合引用队列使用，主要配合ByteBuffer使用，被引用对象回收时，会被徐引用入队，由Referencehandler线程调用虚引用相应的方法来释放直接内存。

终结器引用：无需手动编码，但器内部配合引用队列使用，在垃圾回收时，终结器引用入队，找到被引用对象并调用finalize方法，第二次GC回收的时候才能回收被引用对象。

垃圾回收

如何判断对象可以回收？采用可达性分析算法，也即没有引用的对象，通常会进行回收，也即孤立的对象会被回收。

垃圾回收算法：

通常可分为三种：标记清除mark sweep、标记整理mark compact、复制copy。

这三种算法：标记清除算法速度快，但产生内存碎片较多，不利于内存的充分使用。标记整理，速度适中，同时能够整理内存碎片。复制算法，速度最慢，但不会产生内存碎片，占用内存双倍。

由于三种算法都有其优点和缺点，因此需要综合使用它们。因此就产生了分带垃圾回收算法。

新生代由于产生的对象是朝生夕死的，因此通常会常用复制算法，而老年代则采用标记整理或标记清除算法。

同时可分为新生代、老年代、MetaSpace区（jdk1.7永久代）

新生代又可分为Eden区、Survivor区，而Survivor区又可分为From、To两部分。

对象存活区域：

1.通常首先分配在Eden区

2.新生代空间不足时，会触发minor gc，Eden区和from存活对象使用copy算法复制到to中，存活的对象年龄+1，并且交换from、to

3.minor gc会引发stop the world，暂停其他用户的线程，等垃圾回收结束，用户线程才回复运行

4.当对象寿命超过阀值时，会晋升到老年代，最大寿命是15(4bit)

5.当老年代空间不足时，会先尝试触发minor gc，如果空间不足，那么触发full gc,stw的时间更长

相关jvm参数：

堆初始化大小：-Xms

堆最大大小：-Xmx或-XX:MaxHeapSize=size

新生代大小：-Xmn或-XX:newSize=size+-XX:MaxNewSize=size

幸存区比例(动态)：-XX:InittalSurvivorRatio=ratio和-XX:+UseAdaptiveSizePolicy

幸存区比例：-XX:SurvivorRatio=ratio

晋升阀值：-XX:MaxTenuringThreshold=threshold

晋升详情：-XX:+PrintTenuringDistribution

GC详情：-XX:+PrintGCDetails -verbose:gc

FullGC前MinorGC:-XX:+scavengeBeforeFullGC

垃圾回收器：

可以分为串行垃圾回收器、并行垃圾回收器、并发垃圾回收器、G1等

串行垃圾回收器：单线程、堆内存较小，适合个人电脑，-XX:+userSerialGC=Serial+SerialOld,串行新生代和老年代

并行垃圾回收器：多线程，吞吐量高,-XX:+UserParallelGC —— -XX:+UseParallelOldGC,-XX:GCTimeRatio=ratio,-XX:MaxGCPauseMillis=ms,-XX:ParallelgcThreads=n，并行GC,新生代和老年代，同时可以设置比例，响应时间、线程数等信息

并发垃圾回收器：多线程，响应时间短，-XX:+UseConcMarkSweepGC—— -XX:UseParNewGC——SerialOld,-XX:ParallelGCThreads=n—— -XX:Concgcthreads,-XX:CMSInitiatingOccupancyFranction=percent,-XX:+CMSScavengeBeforeRemark,包含信息并发新生代GC,串行Old，并发线程数，CMS比例，重新标记再清理

G1垃圾回收器：

使用场景：注重高吞吐量，低延迟的场景，默认的暂停目标是200ms。超大堆内存，会将堆划分为多个大小相等的Region,整体上标记+整理算法，两个区域之间采用复制算法。

相关参数：

-XX:+UseG1GC

-XX:G1HeapRegionsSize=size

-XX:MaxGCPauseMillis=time

垃圾回收阶段：

Young Collection、Mixed Collection、Young Collection+Concurrent Mark

Young Collection:会STW.

Young Collection+CM:在Young GC时会进行GC Root的初始化标记，老年代占用堆空间比例达到阀值时，进行并发标记，不会STW.

Mixed Collection：会对E、S、O进行全面垃圾回收，最终标记会STW,拷贝存活会STW

进行Full GC：相关代的FullGC

Young Collection跨代引用：新生代回收的跨代引用（老年大引用新生代）问题：卡表与Remebered Set，在引用变量时通过post-write barier+dirty card queue进行处理，同时concurrent refinement threads更新Remembered Set.

Remark:pre-write barrier + satb_mark_queue

通常调优需要考虑：内存、锁竞争、cpu占用、IO、代码这些层面上的调优。

通常最快的GC:

考虑不发生GC,也即查看FullGC前后的内存占用，考虑数据是否太多、数据表示是否太大、是否存在内存泄漏（变量的作用范围、是否存在软、弱引用、第三方缓存等）。