JVM
一、什么是JVM
定义
Java Virtual Machine，JAVA程序的运行环境（JAVA二进制字节码的运行环境）
好处
- 一次编写，到处运行
- 自动内存管理，垃圾回收机制
- 数组下标越界检查
比较
JVM JRE JDK的区别
二、内存结构
整体架构
1、程序计数器
作用
用于保存JVM中下一条所要执行的指令的地址
特点
- 线程私有
- CPU会为每个线程分配时间片，当当前线程的时间片使用完以后，CPU就会去执行另一个线程中的代码
- 程序计数器是每个线程所私有的，当另一个线程的时间片用完，又返回来执行当前线程的代码时，通过程序计数器可以知道应该执行哪一句指令
- 不会存在内存溢出
2、虚拟机栈
定义
- 每个线程运行需要的内存空间，称为虚拟机栈
- 每个栈由多个栈帧组成，对应着每次调用方法时所占用的内存
- 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的方法（栈顶部的第一个方法）
演示
代码- public class Main {
- public static void main(String[] args) {
- method1();
- }
- private static void method1() {
- method2(1, 2);
- }
- private static int method2(int a, int b) {
- int c = a + b;
- return c;
- }
- }Copy
在控制台中可以看到，主类中的方法在进入虚拟机栈的时候，符合栈的特点
问题辨析
- 垃圾回收是否涉及栈内存？
- 不需要。因为虚拟机栈中是由一个个栈帧组成的，在方法执行完毕后，对应的栈帧就会被弹出栈。所以无需通过垃圾回收机制去回收内存。
- 栈内存的分配越大越好吗？
- 不是。因为物理内存是一定的，栈内存越大，可以支持更多的递归调用，但是可执行的线程数就会越少。
- 方法内的局部变量是否是线程安全的？
- 看变量是被线程私有还是共享，共享则不安全
- 看变量的作用范围
内存溢出
Java.lang.stackOverflowError 栈内存溢出
发生原因
- 虚拟机栈中，栈帧过多（无限递归）
- 每个栈帧所占用过大
线程运行诊断
CPU占用过高
- Linux环境下运行某些程序的时候，可能导致CPU的占用过高，这时需要定位占用CPU过高的线程
- top命令，查看是哪个进程占用CPU过高
- ps H -eo pid, tid（线程id）, %cpu | grep 刚才通过top查到的进程号 通过ps命令进一步查看是哪个线程占用CPU过高
- jstack 进程id 通过查看进程中的线程的nid，刚才通过ps命令看到的tid来对比定位，注意jstack查找出的线程id是16进制的，需要转换
3、本地方法栈
一些带有native关键字的方法就是需要JAVA去调用本地的C或者C++方法，因为JAVA有时候没法直接和操作系统底层交互，所以需要用到本地方法
4、堆
定义
通过new关键字创建的对象都会被放在堆内存
特点
- 所有线程共享，堆内存中的对象都需要考虑线程安全问题
- 有垃圾回收机制
堆内存溢出
java.lang.OutofMemoryError ：java heap space. 堆内存溢出
堆内存诊断
jps
jmap
jconsole
jvirsalvm
5、方法区
结构
内存溢出
- 1.8以前会导致永久代内存溢出
- 1.8以后会导致元空间内存溢出
常量池
二进制字节码的组成：类的基本信息、常量池、类的方法定义（包含了虚拟机指令）
通过反编译来查看类的信息
- 获得对应类的.class文件
- 在JDK对应的bin目录下运行cmd，也可以在IDEA控制台输入
- 输入 javac 对应类的绝对路径
- F:\JAVA\JDK8.0\bin>javac F:\Thread_study\src\com\nyima\JVM\day01\Main.javaCopy
- 在控制台输入 javap -v 类的绝对路径
- javap -v F:\Thread_study\src\com\nyima\JVM\day01\Main.classCopy
- 然后能在控制台看到反编译以后类的信息了
- 类的基本信息
- 常量池
- 虚拟机中执行编译的方法（框内的是真正编译执行的内容，**#号的内容需要在常量池中查找**）
运行时常量池
- 常量池
- 就是一张表（如上图中的constant pool），虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量信息
- 运行时常量池
- 常量池是*.class文件中的，当该类被加载以后，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址
常量池与串池的关系
串池StringTable
特征
- 常量池中的字符串仅是符号，只有在被用到时才会转化为对象
- 利用串池的机制，来避免重复创建字符串对象
- 字符串变量拼接的原理是StringBuilder
- 字符串常量拼接的原理是编译器优化
- 可以使用intern方法，主动将串池中还没有的字符串对象放入串池中
- 注意：无论是串池还是堆里面的字符串，都是对象
用来放字符串对象且里面的元素不重复- public class StringTableStudy {
- public static void main(String[] args) {
- String a = "a";
- String b = "b";
- String ab = "ab";
- }
- }
常量池中的信息，都会被加载到运行时常量池中，但这是a b ab 仅是常量池中的符号，还没有成为java字符串- 0: ldc #2 // String a
- 2: astore_1
- 3: ldc #3 // String b
- 5: astore_2
- 6: ldc #4 // String ab
- 8: astore_3
- 9: returnCopy
当执行到 ldc #2 时，会把符号 a 变为 “a” 字符串对象，并放入串池中（hashtable结构 不可扩容）
当执行到 ldc #3 时，会把符号 b 变为 “b” 字符串对象，并放入串池中
当执行到 ldc #4 时，会把符号 ab 变为 “ab” 字符串对象，并放入串池中
最终StringTable [“a”, “b”, “ab”]
注意：字符串对象的创建都是懒惰的，只有当运行到那一行字符串且在串池中不存在的时候（如 ldc #2）时，该字符串才会被创建并放入串池中。
使用拼接字符串变量对象创建字符串的过程- public class StringTableStudy {
- public static void main(String[] args) {
- String a = "a";
- String b = "b";
- String ab = "ab";
- //拼接字符串对象来创建新的字符串
- String ab2 = a+b;
- }
- }
- [/code]通过拼接的方式来创建字符串的过程是：StringBuilder().append(“a”).append(“b”).toString()
- 最后的toString方法的返回值是一个新的字符串，但字符串的值和拼接的字符串一致，但是两个不同的字符串，一个存在于串池之中，一个存在于堆内存之中
- [code]
- 使用拼接字符串常量的方法来创建新的字符串时，因为内容是常量，javac在编译期会进行优化，结果已在编译期确定为ab，而创建ab的时候已经在串池中放入了“ab”，所以ab3直接从串池中获取值，所以进行的操作和 ab = “ab” 一致。
- 使用拼接字符串变量的方法来创建新的字符串时，因为内容是变量，只能在运行期确定它的值，所以需要使用StringBuilder来创建
intern方法 1.8
调用字符串对象的intern方法，会将该字符串对象尝试放入到串池中
- 如果串池中没有该字符串对象，则放入成功
- 如果有该字符串对象，则放入失败
无论放入是否成功，都会返回串池中的字符串对象
注意：此时如果调用intern方法成功，堆内存与串池中的字符串对象是同一个对象；如果失败，则不是同一个对象- [/code][size=2]intern方法 1.6[/size]
- 调用字符串对象的intern方法，会将该字符串对象尝试放入到串池中
- [list]
- [*]如果串池中没有该字符串对象，会将该字符串对象复制一份，再放入到串池中
- [*]如果有该字符串对象，则放入失败
- [/list]无论放入是否成功，都会返回串池中的字符串对象
- 注意：此时无论调用intern方法成功与否，串池中的字符串对象和堆内存中的字符串对象都不是同一个对象
- [size=3]StringTable 垃圾回收[/size]
- StringTable在内存紧张时，会发生垃圾回收
- [size=3]StringTable调优[/size]
- [list]
- [*]因为StringTable是由HashTable实现的，所以可以适当增加HashTable桶的个数，来减少字符串放入串池所需要的时间
- [code]-XX:StringTableSize=xxxxCopy
可以通过intern方法减少重复入池
6、直接内存
- 属于操作系统，常见于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
文件读写流程
使用了DirectBuffer
直接内存是操作系统和Java代码都可以访问的一块区域，无需将代码从系统内存复制到Java堆内存，从而提高了效率
释放原理
直接内存的回收不是通过JVM的垃圾回收来释放的，而是通过unsafe.freeMemory来手动释放
通过- //通过ByteBuffer申请1M的直接内存
- ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(_1M);Copy
allocateDirect返回一个DirectByteBuffer对象，里面申请内存，通过虚引用对象释放内存
DirectByteBuffer类- DirectByteBuffer(int cap) { // package-private
-
- super(-1, 0, cap, cap);
- boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
- int ps = Bits.pageSize();
- long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
- Bits.reserveMemory(size, cap);
- long base = 0;
- try {
- base = unsafe.allocateMemory(size); //申请内存
- } catch (OutOfMemoryError x) {
- Bits.unreserveMemory(size, cap);
- throw x;
- }
- unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
- if (pa && (base % ps != 0)) {
- // Round up to page boundary
- address = base + ps - (base & (ps - 1));
- } else {
- address = base;
- }
- cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap)); //通过虚引用，来实现直接内存的释放，this为虚引用的实际对象
- att = null;
- }Copy
- public void clean() {
- if (remove(this)) {
- try {
- this.thunk.run(); //调用run方法
- } catch (final Throwable var2) {
- AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
- public Void run() {
- if (System.err != null) {
- (new Error("Cleaner terminated abnormally", var2)).printStackTrace();
- }
- System.exit(1);
- return null;
- }
- });
- }Copy
- public void run() {
- if (address == 0) {
- // Paranoia
- return;
- }
- unsafe.freeMemory(address); //释放直接内存中占用的内存
- address = 0;
- Bits.unreserveMemory(size, capacity);
- }Copy
- 使用了Unsafe类来完成直接内存的分配回收，回收需要主动调用freeMemory方法
- ByteBuffer的实现内部使用了Cleaner（虚引用）来检测ByteBuffer。一旦ByteBuffer被垃圾回收，那么会由ReferenceHandler来调用Cleaner的clean方法调用freeMemory来释放内存
三、垃圾回收
1、如何判断对象可以回收
引用计数法
弊端：循环引用时，两个对象的计数都为1，导致两个对象都无法被释放
可达性分析算法
- JVM中的垃圾回收器通过可达性分析来探索所有存活的对象
- 扫描堆中的对象，看能否沿着GC Root对象为起点的引用链找到该对象，如果找不到，则表示可以回收
- 可以作为GC Root的对象
- 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。
- 方法区中类静态属性引用的对象
- 方法区中常量引用的对象
- 本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）引用的对象
五种引用
强引用
只有GC Root都不引用该对象时，才会回收强引用对象
- 如上图B、C对象都不引用A1对象时，A1对象才会被回收
软引用
当GC Root指向软引用对象时，在内存不足时，会回收软引用所引用的对象
- 如上图如果B对象不再引用A2对象且内存不足时，软引用所引用的A2对象就会被回收
软引用的使用
- public class Demo1 {
- public static void main(String[] args) {
- final int _4M = 4*1024*1024;
- //使用软引用对象 list和SoftReference是强引用，而SoftReference和byte数组则是软引用
- List<SoftReference<byte[]>> list = new ArrayList<>();
- SoftReference<byte[]> ref= new SoftReference<>(new byte[_4M]);
- }
- }Copy
如果想要清理软引用，需要使用引用队列- public class Demo1 {
- public static void main(String[] args) {
- final int _4M = 4*1024*1024;
- //使用引用队列，用于移除引用为空的软引用对象
- ReferenceQueue<byte[]> queue = new ReferenceQueue<>();
- //使用软引用对象 list和SoftReference是强引用，而SoftReference和byte数组则是软引用
- List<SoftReference<byte[]>> list = new ArrayList<>();
- SoftReference<byte[]> ref= new SoftReference<>(new byte[_4M]);
- //遍历引用队列，如果有元素，则移除
- Reference<? extends byte[]> poll = queue.poll();
- while(poll != null) {
- //引用队列不为空，则从集合中移除该元素
- list.remove(poll);
- //移动到引用队列中的下一个元素
- poll = queue.poll();
- }
- }
- }Copy
自定义类加载器
使用场景
- 想加载非 classpath 随意路径中的类文件
- 通过接口来使用实现，希望解耦时，常用在框架设计
- 这些类希望予以隔离，不同应用的同名类都可以加载，不冲突，常见于 tomcat 容器
步骤
- 继承ClassLoader父类
- 要遵从双亲委派机制，重写 findClass 方法
- 不是重写loadClass方法，否则不会走双亲委派机制
- 读取类文件的字节码
- 调用父类的 defineClass 方法来加载类
- 使用者调用该类加载器的 loadClass 方法
破坏双亲委派模式
- 双亲委派模型的第一次“被破坏”其实发生在双亲委派模型出现之前——即JDK1.2面世以前的“远古”时代
- 建议用户重写findClass()方法，在类加载器中的loadClass()方法中也会调用该方法
- 双亲委派模型的第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷导致的
- 如果有基础类型又要调用回用户的代码，此时也会破坏双亲委派模式
- 双亲委派模型的第三次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求而导致的
- 这里所说的“动态性”指的是一些非常“热”门的名词：代码热替换（Hot Swap）、模块热部署（Hot Deployment）等
6、运行期优化
分层编译
JVM 将执行状态分成了 5 个层次：
- 0层：解释执行，用解释器将字节码翻译为机器码
- 1层：使用 C1 即时编译器编译执行（不带 profiling）
- 2层：使用 C1 即时编译器编译执行（带基本的profiling）
- 3层：使用 C1 即时编译器编译执行（带完全的profiling）
- 4层：使用 C2 即时编译器编译执行
profiling 是指在运行过程中收集一些程序执行状态的数据，例如【方法的调用次数】，【循环的 回边次数】等
即时编译器（JIT）与解释器的区别
- 解释器
- 将字节码解释为机器码，下次即使遇到相同的字节码，仍会执行重复的解释
- 是将字节码解释为针对所有平台都通用的机器码
- 即时编译器
- 将一些字节码编译为机器码，并存入 Code Cache，下次遇到相同的代码，直接执行，无需再编译
- 根据平台类型，生成平台特定的机器码
对于大部分的不常用的代码，我们无需耗费时间将其编译成机器码，而是采取解释执行的方式运行；另一方面，对于仅占据小部分的热点代码，我们则可以将其编译成机器码，以达到理想的运行速度。 执行效率上简单比较一下 Interpreter < C1 < C2，总的目标是发现热点代码（hotspot名称的由 来），并优化这些热点代码
逃逸分析
逃逸分析（Escape Analysis）简单来讲就是，Java Hotspot 虚拟机可以分析新创建对象的使用范围，并决定是否在 Java 堆上分配内存的一项技术
逃逸分析的 JVM 参数如下：
- 开启逃逸分析：-XX:+DoEscapeAnalysis
- 关闭逃逸分析：-XX:-DoEscapeAnalysis
- 显示分析结果：-XX:+PrintEscapeAnalysis
逃逸分析技术在 Java SE 6u23+ 开始支持，并默认设置为启用状态，可以不用额外加这个参数
对象逃逸状态
全局逃逸（GlobalEscape）
- 即一个对象的作用范围逃出了当前方法或者当前线程，有以下几种场景：
- 对象是一个静态变量
- 对象是一个已经发生逃逸的对象
- 对象作为当前方法的返回值
参数逃逸（ArgEscape）
- 即一个对象被作为方法参数传递或者被参数引用，但在调用过程中不会发生全局逃逸，这个状态是通过被调方法的字节码确定的
没有逃逸
逃逸分析优化
针对上面第三点，当一个对象没有逃逸时，可以得到以下几个虚拟机的优化
锁消除
我们知道线程同步锁是非常牺牲性能的，当编译器确定当前对象只有当前线程使用，那么就会移除该对象的同步锁
例如，StringBuffer 和 Vector 都是用 synchronized 修饰线程安全的，但大部分情况下，它们都只是在当前线程中用到，这样编译器就会优化移除掉这些锁操作
锁消除的 JVM 参数如下：
- 开启锁消除：-XX:+EliminateLocks
- 关闭锁消除：-XX:-EliminateLocks
锁消除在 JDK8 中都是默认开启的，并且锁消除都要建立在逃逸分析的基础上
标量替换
首先要明白标量和聚合量，基础类型和对象的引用可以理解为标量，它们不能被进一步分解。而能被进一步分解的量就是聚合量，比如：对象
对象是聚合量，它又可以被进一步分解成标量，将其成员变量分解为分散的变量，这就叫做标量替换。
这样，如果一个对象没有发生逃逸，那压根就不用创建它，只会在栈或者寄存器上创建它用到的成员标量，节省了内存空间，也提升了应用程序性能
标量替换的 JVM 参数如下：
- 开启标量替换：-XX:+EliminateAllocations
- 关闭标量替换：-XX:-EliminateAllocations
- 显示标量替换详情：-XX:+PrintEliminateAllocations
标量替换同样在 JDK8 中都是默认开启的，并且都要建立在逃逸分析的基础上
栈上分配
当对象没有发生逃逸时，该对象就可以通过标量替换分解成成员标量分配在栈内存中，和方法的生命周期一致，随着栈帧出栈时销毁，减少了 GC 压力，提高了应用程序性能
方法内联
内联函数
内联函数就是在程序编译时，编译器将程序中出现的内联函数的调用表达式用内联函数的函数体来直接进行替换
JVM内联函数
C++是否为内联函数由自己决定，Java由编译器决定。Java不支持直接声明为内联函数的，如果想让他内联，你只能够向编译器提出请求: 关键字final修饰 用来指明那个函数是希望被JVM内联的，如- "F:\JAVA\JDK8.0\bin\java" -XX:+PrintFlagsFinal -version | findstr "GC"Copy
JVM内建有许多运行时优化。首先短方法更利于JVM推断。流程更明显，作用域更短，副作用也更明显。如果是长方法JVM可能直接就跪了。
第二个原因则更重要：方法内联
如果JVM监测到一些小方法被频繁的执行，它会把方法的调用替换成方法体本身，如：- 0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09
- 0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07
- 0000040 00 1c 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29
- 0000060 56 01 00 04 43 6f 64 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e
- 0000100 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65 01 00 12 4c 6f 63
- 0000120 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61 62 6c 65 01
- 0000140 00 04 74 68 69 73 01 00 1d 4c 63 6e 2f 69 74 63
- 0000160 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c 6f
- 0000200 57 6f 72 6c 64 3b 01 00 04 6d 61 69 6e 01 00 16
- 0000220 28 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72
- 0000240 69 6e 67 3b 29 56 01 00 04 61 72 67 73 01 00 13
- 0000260 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69
- 0000300 6e 67 3b 01 00 10 4d 65 74 68 6f 64 50 61 72 61
- 0000320 6d 65 74 65 72 73 01 00 0a 53 6f 75 72 63 65 46
- 0000340 69 6c 65 01 00 0f 48 65 6c 6c 6f 57 6f 72 6c 64
- 0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e
- 0000400 00 1f 01 00 0b 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64
- 0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74
- 0000440 63 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c
- 0000460 6f 57 6f 72 6c 64 01 00 10 6a 61 76 61 2f 6c 61
- 0000500 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 74 01 00 10 6a 61 76 61
- 0000520 2f 6c 61 6e 67 2f 53 79 73 74 65 6d 01 00 03 6f
- 0000540 75 74 01 00 15 4c 6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72
- 0000560 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d 3b 01 00 13 6a 61 76
- 0000600 61 2f 69 6f 2f 50 72 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d
- 0000620 01 00 07 70 72 69 6e 74 6c 6e 01 00 15 28 4c 6a
- 0000640 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69 6e 67 3b
- 0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01
- 0000700 00 07 00 08 00 01 00 09 00 00 00 2f 00 01 00 01
- 0000720 00 00 00 05 2a b7 00 01 b1 00 00 00 02 00 0a 00
- 0000740 00 00 06 00 01 00 00 00 04 00 0b 00 00 00 0c 00
- 0000760 01 00 00 00 05 00 0c 00 0d 00 00 00 09 00 0e 00
- 0001000 0f 00 02 00 09 00 00 00 37 00 02 00 01 00 00 00
- 0001020 09 b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1 00 00 00 02 00 0a
- 0001040 00 00 00 0a 00 02 00 00 00 06 00 08 00 07 00 0b
- 0001060 00 00 00 0c 00 01 00 00 00 09 00 10 00 11 00 00
- 0001100 00 12 00 00 00 05 01 00 10 00 00 00 01 00 13 00
- 0001120 00 00 02 00 14Copy
- u4 magic
- u2 minor_version;
- u2 major_version;
- u2 constant_pool_count;
- cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
- u2 access_flags;
- u2 this_class;
- u2 super_class;
- u2 interfaces_count;
- u2 interfaces[interfaces_count];
- u2 fields_count;
- field_info fields[fields_count];
- u2 methods_count;
- method_info methods[methods_count];
- u2 attributes_count;
- attribute_info attributes[attributes_count];Copy
[code]public class Reflect1 { public static void foo() { System.out.println("foo..."); } public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException { Method foo = Demo3.class.getMethod("foo"); for(int i = 0; i |
