一文读懂JVM虚拟机

JVM

1、内存模型

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内容描述

从上图可以看出，JVM的内存区域主要分为两个大块，一是内存共享区，一是内存线程私有区。

结合java代码的执行编译过程，可以理解成：当我们的代码呗java执行引擎加载后，解释器进行处理成.class文件，通过JIT（即时编译器）编译，中间涉及到类加载的过程（先略过），此时编译后的代码和一些常量、静态变量都会保存在方法区中。随着代码的执行，会创建对象，这些对象都会存放在堆内存空间。代码的执行，都是由main线程执行，随着程序的调用，线程中的程序计数器，会记录每个程序执行到了哪一步，同时伴随着方法调用，通过虚拟机栈压栈和弹栈的动作往下执行，当程序执行完毕后就涉及到对象的回收和销毁过程。

2、类加载过程

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聊完内存分配，涉及到的重点就是类加载过程

常规意义上，我们都把类加载器分为四层，逐层继承。最顶层是BootStrap加载器，通过源码，我们可以看到，他的实现和定义都是空的，所以我们可以理解成它并不存在。主要的类加载都是在extention和application中完成，其中extention偏向加载jre目录下的对象，application偏向记载classpath下jar中的对象。

**补充重点：双亲委派模型**

当一个类加载器区加载一个类的时候，会优先委托父类去尝试加载，以此传递到顶层（Extention），如果父类加载不了，才会由子类加载，这样确保了：

1.一个类只会被加载一次

2.每个类都会尽可能被夹在

3.避免恶意加载（直接通过自定义加载器加载成JVM无法处理的）

**补充重点：happend-before原则**

即先后原则，大致如下：

1. 程序执行有序，前一个的执行结果必须对后一个操作可见
2. 锁有序，只能先加锁，再解锁
3. volatile读写有序，即对一个volatile对象的读操作之前，必须先写这个对象
4. 传递性原则，A依赖B的结果，B依赖C的结果，那么A一定执行在C后面
5. 线程启动原则，先启动再执行线程内部方法
6. 线程终止原则，终止只能发生在不线程内部方法执行后
7. 线程中断原则

2.1 类初始化的过程：

1.加载：由类加载器，对class文件进行读写到JVM中，流程大致为先获取class文件，以二进制流读入内存，再将二进制流静态存储结构转化为运行时数据结构，最后在内存（堆）中生成对象；

2.链接：链接也分为三个过程，验证、准备、解析。验证的目的是为了确保加载进来的二进制数据流，符合JVM规范，准备阶段是为静态变量和常量在方法区分配内存，设置默认值，解析是虚拟机讲常量池的符号引用替换为直接引用的过程

3.初始化：根据赋值语句为变量赋值和内存分配的过程

4.使用：程序内部的调用

5.卸载：对象的销毁，引用变为null

2.2 class初始化（详述类加载第三步）

1.每个类都有一个初始化锁LOCK，初始化的第一步就是去获取LOCK

2.如果这个类正在被其他线程初始化，此时当前线程获取不到LOCK，处于等待状态

3.如果这个类已经被初始化，则不去尝试获取锁，直接使用该对象

4.如果其他线程初始化失败，抛出异常，该线程会释放锁，当前线程获取到LOCK后会去做初始化的动作（类变量初始化和静态代码块执行，对象内存分配）

5.当前线程初始化完成后，会释放LOCK，并通知其他线程放弃初始化

3、GC垃圾回收

类加载说完之后，就涉及到对象的回收机制，这里我们主要针对的就是堆内存的回收。常见的堆内存分代为新生代和老年代，新生代又分为Eden区和Survivor区，Survivor区又分为From区和To区。常规情况下，我们的对象都是创建在新生代的Eden区，当一个对象被标记为可清除后，会从Eden区转移到From区，进行标记处理，满足回收条件后，会在To区进行回收。当一个对象多次回收失败，会被标记转移到老年代，重新进行回收动作。当然，如果一个对象是大对象，它的创建和销毁都是在老年代发生。

新生代的回收，称之为Young GC，老年代的回收称之为Full GC

**GC中的补充概念**：

**并行：** 多个回收线程同时执行，用户线程等待

**并发：** 回收线程和用户线程同时执行

**吞吐量：** 用户线程运行时长 / （用户线程运行时长 + GC时长）

说完内存分代，就会引出不同分代下的垃圾收集器和相关的垃圾回收算法，常见的垃圾收集器如下。

3.1 新生代

新生代收集器，都是使用复制算法，内存消耗会比较大，占用资源较多。并且他们都只有并行阶段，没有并发阶段，只要发生GC，就会STW

Serial：

单线程回收，简单，单一线程使用率高

ParNew：

多线程回收，为了解决Serial的效率问题，出的多线程版本，默认开启线程数和CPU核数相同（变相佐证了IO密集型操作，线程数选择cpu核数）

Parallel Scavenge：

多线程，高吞吐，GC自适应调节

3.2 老年代

CMS

标记清除算法，多线程回收

**回收过程：**

初始标记：标记GC Root能直接访问的对象，会出现STW

并发标记：在用户线程执行过程中，进行标记

重新标记：为了修正因用户线程执行，导致遗漏的对象，重新打标，会出现STW

并发清除：在用户线程执行的过程中，进行回收

Serial Old

标记整理算法，单线程回收

Parallel Old

标记整理算法，多线程回收，高吞吐

3.3 G1

区别于其他分代收集器，G1收集器的对象是整个堆，他的优点就是能充分利用CPU资源，完美适配多核条件下的回收场景，大幅减少STW时间。

G1针对新生代（标记整理）和老年代（复制算法），有不同的回收策略

G1回收后，会重新整理内存空间，不会产生内存碎片

他的回收过程和CMS类似，只是最后一步是筛选回收，并不是全部标记对象并发清除

G1的特点：

1、设计原则是尽可能多的回收垃圾

2、内存分区的思路（避免像CMS那种，整个堆内存回收，STW时间过长），分为不同的内存块region，它的内存回收就是把回收对象发知道另一个region中，实现局部压缩

3、只有分代概念，实际的内存空间会在运行时不停切换分区，从而使用不同方式回收，内存使用更合理

4、停顿时间模型，回收时间可控，不会长时间STW

GC回收器通常的选择：

CMS+ParNew

G1

旨在减少STW时间

垃圾回收算法

**标记清除：** 标记为可回收的对象内存回收，会产生内存碎片，空间使用率低，但是高效

**标记整理：** 标记可回收的对象内存回收后，会进行内存移动，空间使用率高，相对回收效率降低

**复制算法：** 重新开辟一个内存空间，进行对象移动，在新的空间中删除边际回收的对象，同事整理合并

4、相关知识

4.1 内存屏障汇编指令

• LoadLoad屏障：

对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2， 在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。

• StoreStore屏障：

对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2， 在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。

• LoadStore屏障：

对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2， 在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。

• StoreLoad屏障：

对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2， 在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。

4.2 内存溢出的定位和排查

• **【常见】** java.lang.OutOfMemoryError: ......**java heap space**..... 堆栈溢出，代码问题的可能性极大
• java.lang.OutOfMemoryError: **GC over head limit exceeded** 系统处于高频的GC状态，而且

回收的效果依然不佳的情况，就会开始报这个错误，这种情况一般是产生了很多不可以被释放

的对象，有可能是引用使用不当导致，或申请大对象导致，但是java heap space的内存溢出

有可能提前不会报这个错误，也就是可能内存就直接不够导致，而不是高频GC.

• java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space jdk1.7之前才会出现的问题 ，原因是系统的

代码非常多或引用的第三方包非常多、或代码中使用了大量的常量、或通过intern注入常量、

或者通过动态代码加载等方法，导致常量池的膨胀

• java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory 直接内存不足，因为jvm垃圾回收不

会回收掉直接内存这部分的内存，所以可能原因是直接或间接使用了ByteBuffer中的

allocateDirect方法的时候，而没有做clear

• java.lang.StackOverflowError - Xss设置的太小了
• java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread 堆外内存不足，无法为

线程分配内存区域

• java.lang.OutOfMemoryError: request {} byte for {}out of swap 地址空间不够