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深入理解Java虚拟机.md

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深入理解 Java 虚拟机 学习笔记

第二章 Java 内存区域与内存溢出异常

内存区域

java-memory-area

-- from 姜志明

对象创建

  1. 加载类
    • 若已经在内存中则跳过。
    • 类加载完以后就可以确定对象所需的空间大小 // TODO why?
  2. 分配内存
    • 根据 GC 回收算法的不同，分配方式略有区别。
      • 标记整理算法，使用空闲列表
      • 带压缩的算法，使用指针碰撞（已分配和未分配内存间由指针分隔）
  3. 内存清零
  4. 对象初始化

对象的内存布局

对象内存布局

  • MarkWord 占用一个 字 的大小，其中分为两部分：
    1. 对象自身运行时元数据。例如，哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志等等
    2. 类型指针。指向其类的元数据。
    3. 若对象是数组则还需要保存数组的长度。
  • 域的存储顺序：
    1. 基本类型优先，长度长的优先。
    2. 父类域优先。子类较短域可插入父类域空隙。
    3. 受虚拟机分配策略参数和域定义顺序的影响。

对象访问

两种方式：

  1. 直接引用
  2. 引用句柄（句柄池）

内存溢出异常

常用 JVM 参数 （Java HotSpot VM）

参数 含义 实例
-verbose:class 显示每一个被加载的类的信息
-verbose:gc 显示每一个 GC 事件的信息
-Xmnsize 年轻代最大容量 -Xmn256m
-Xmssize 堆的初始大小。1024 的整数倍并且要大于 1MB -Xms6m
-Xmxsize 堆的最大容量。1024 的整数倍并且要大于 2MB -Xmx80m
-Xsssize 线程栈容量。平台不同默认值不同，详情参考文档。Linux/x64 (64-bit): 1024 KB -Xss1m
-XX:MaxDirectMemorySize=size 直接内存的最大容量，默认与堆容量相同 -XX:MaxDirectMemorySize=1m
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemory 当抛出 OOM 时，使用 HPROF 将堆的快照保存到当前目录
-XX:HeapDumpPath=path 设置快照输出路径 -XX:HeapDumpPath=/var/log/java/java_heapdump.hprof
-XX:+PrintGCDetails 开启在 GC 时打印详细信息
-XX:SurvivorRatio=ratio 新生代中 eden 与 survivor 的大小比例，默认为 8 -XX:SurvivorRatio=4

参考： Java HotSpot VM 参数

常见异常及可能原因

  • 堆区
    • OutOfMemoryException。使用工具对快照进行分析，看是否发生了内存泄露（内存中有不再使用的但无法回收的对象或资源）。若是，则通过分析引用链找到根源，解决问题；若不是检查虚拟机堆参数，看是否能够调大。再检查代码中是否有生命周期很长的大对象。
  • 虚拟机栈和本地方法栈
    • OutOfMemoryException。栈容量 * 线程数量 = 固定值。当线程数量过多时会引发，可以适当减小栈容量。
    • StackOverflowException。按异常查根源。
  • 方法区和运行时常量池
  • 直接内存溢出
    • 不正确的使用 NIO。

String 与字符串常量

public class StringTest {
	public static void main(String[] args) {
		String m = "hello";
		String n = "hello";
		String u = new String(m);
		String v = new String("hello");
		
		System.out.println("m == n: " + (m == n));
		System.out.println("m == u: " + (m == u));
		System.out.println("m == v: " + (m == v));
		System.out.println("u == v: " + (u == v));
	}
}

output:
m == n: true
m == u: false
m == v: false
u == v: false

内存模型

参考： 初探Java字符串

第三章 垃圾收集器与内存分配策略

判断对象是否存活

  1. 引用计数器算法。给对象添加一个引用计数器，增加/删除引用时对计数器进行修订。但是该方法因为无法解决循环引用（例如两个对象互相引用）的问题，所以一般不使用该方法
  2. 可达性分析算法。从 GC root 开始递归查询并标记，结束后未被标记的（不可达的）即为可回收的对象。GC root 共有四种：
    • 栈中引用的对象
    • 方法区常量引用的对象
    • 方法区静态域引用的对象
    • 本地方法中 JNI 引用的对象（不太懂）
  3. 回收方法区
    • 新生代的回收效率可达到 70% - 95%，而永久代则低的多（性价比太低）
    • 在大量使用反射、动态代理、CGLib 等 ByteCode 框架、动态生成 JSP 以及 OSGi 这类频繁自定义 ClassLoader 的场景都需要虚拟机有卸载类的能力。

垃圾收集算法

  1. 标记-清除算法
    • 扫描一遍，标记出需要回收的对象，再扫描将其清除
    • 标记/清除两阶段时间效率都不高，且回收后空间较零碎。
  2. 复制算法
    • 将内存分为两块，当一块中内存不足时，将其中所有存活对象复制到另一块中，回收当前一整块。
    • 目前商用虚拟机大都使用这一算法回收新生代。将内存划分为一个较大的 Eden 区和两块较小的 Survivor. Eden：Survivor = 8：1
  3. 标记整理算法
    • 标记出须清理的对象，然后其余对象移动到一端
  4. 分代收集算法
    • 新生代使用复制算法
    • 永久代使用其他两种算法

HotSpot 算法实现

  1. 当程序执行到安全点（safepoint）时进行 GC，通过在安全点（safepoint）生成的 OopMaps 快速遍历 GC root 进行回收。
    • 安全点（safepoint）：指令序列复用的位置。例如方法调用、循环结构、异常跳转等位置。
    • OopMaps：一种特殊的数据结构，用于枚举 GC root
  2. 但是如果线程处于不执行的状态时，如 sleep 或 blocked 无法执行到安全点，即需要提前标记为安全区域(safe region)。GC 时不考虑处于安全区域的线程，若安全区域代码执行结束但 GC 未结束时该线程等待 GC 结束信号。
    • 安全区域（safe region）：引用不发生改变的代码片段

垃圾收集器

gc collectors

  • 并发(concurrent) vs 并行(parallel)
    1. 并行是同时进行（多 CPU）
    2. 并发可交替
  • Minor GC vs Major GC vs Full GC
    • Minor GC：只回收新生代
    • Major GC：只回收永久代
    • Full GC： 回收整个堆。相当于 Minor GC + Major GC
  1. serial。单线程，简单高效。复制算法
  2. PerNew。serial 的多线程版本，并行。
  3. parallel Scavenge。 与 PerNew 类似，复制算法、多线程、并行。但侧重吞吐量，拥有自适应调节的能力。适合用在后台不需要太多用户交互的地方。
    • 吞吐量 = 用户代码执行时间 / （用户代码执行时间 + 垃圾回收时间）
    • 自适应调节：虚拟机根据但前系统的运行情况，自动调节虚拟机各参数以确保最大吞吐量。
  4. serial old。serial 的永久代版本。采用标记整理算法。
  5. parallel old。parallel Scavenge 的老年代版本，采用标记整理算法。与 parallel scavenge 搭配可以用在注重吞吐量及 CPU 资源敏感的地方。
  6. CMS（concurrent mark sweep）。并发低停顿，使用标记清理算法。非常优秀的一款收集器，但还是有几个缺点：
    1. 对 CPU 资源敏感，当其小于数量小于 4 个是可能会对用户程序有较大影响。默认启动回收线程数 = （CPU 数 + 3）/ 4
    2. 无法处理浮动垃圾。浮动垃圾：在垃圾回收期间生成的垃圾
    3. 回收后会留有大量的空间碎片。
  7. G1 //TODO

内存分配与回收策略

TLAB（Thread local allocate buffer）线程私有分配缓冲区，每个线程一个

  1. 对象优先在 Eden 区分配。内存不足时触发 Minor GC。
  2. 大对象直接进入老年代。例如数组或超过参数指定大小的对象。
  3. 长期存活的对象进入老年代。GC 超过一定次数仍存活的对象。默认为 15 次，可通过虚拟机参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。
  4. 动态对象年龄判定。当一个年龄的所有对象大小总和超过 Servivor 空间一半时，大于等于该年龄的所有对象都进入老年代
  5. 空间分配担保。当发生 Minor GC 时，若存活的对象过多，servivor 空间无法全部容纳时，会将剩余的对象直接放入永久代；若永久代空间不足以容纳时会引发一次 Full GC

第六章 类文件结构

  1. 类文件的结构拥有固定的格式，包含两部分的数据：
    1. 类的元数据。
    2. 方法代码的字节流
  2. code 属性表包含的属性
    1. max_stack 存储操作数栈的最大深度值。运行时用来确定分配栈帧中所需的操作数栈深度。
    2. max_locals 局部变量所需的最大空间大小
  3. 符号引用
    1. 类与接口的全限定名
    2. 域的名称与描述符
    3. 方法名与描述符
  4. 该部分内容可以通过查表获得，不再赘述。

第七章 虚拟机类加载机制

类加载的过程

  1. 加载
    1. 通过全类名获取该类的二进制字节流
    2. 解析字节流，将字节流所表达的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构 （这是什么东西？）
    3. 为该类创建一个 Class 对象，用来访问该类的类数据
  2. 连接
    1. 验证
      • 为了确保加载的字节流时符合规范的，不会危害到虚拟机自身的安全。主要包括
      1. 文件格式验证
      2. 元数据验证
      3. 字节码验证
      4. 符号引用验证
    2. 准备
      • 为类变量分配内存并进行初步初始化（0/null） // 不应该是在类加载阶段完成的么？
    3. 解析
      • 将符号引用替换为直接引用
  3. 初始化
    • static fields and block init
  4. 使用
  5. 卸载

类加载器

  1. 一个加载器确定一个类的命名空间。同一个类由不同加载器加载后是不同的类。
    • 双亲委派：当需要加载一个类时先使用父类加载器（其实这个地方不是很准确，父子关系是通过复合来实现的），若失败了，再使用当前的加载器。如果自己写一个 Object 类，编译可通过但是由于双亲委派，它永远都不会被加载。

第十章 早期（编译器）优化

// TODO: 因本章含有相当多的编译原理相关概念，所以第十、十一章学习延后（预计第 8-9 周）

前端编译过程（*.java --> *.class）

  1. 解析与填充符号表
    1. 词法分析。将源代码转换为标记（Token） 的集合
      • Token: 是编译过程中的最小元素。例如关键字、变量名、运算符等等
    2. 语法分析。通过 Token 序列将构造抽象语法树(Abstract syntax tree)

参考

  1. 郑州大学姜志明老师课件
  2. 初探Java字符串 (非常好的一篇文章)
  3. Java HotSpot VM 参数
  4. Java HotSpot Virtual Machine Garbage Collection Tuning Guide
  5. JVM 垃圾回收器工作原理及使用实例介绍 -- IBM
  6. Minor GC vs Major GC vs Full GC
  7. Abstract syntax tree
  8. 4.4 Symbol Tables