JVM学习笔记(一) 忘是亡心i 2022-05-14 12:52 184阅读 0赞 最近在看《深入理解Java虚拟机》，第一章说是自己编写个JDK，看的云里雾里就跳掉了，两天马马虎虎才看完了第二章，下面是自己写的笔记。 **1.**Java程序设计语言，Java虚拟机，JavaAPI类库这三部分统称为JDK(Java Development),JDK是用于支持Java程序开发的最小环境 **2.**可以把JavaAPI类库中的Java SE API子集和Java虚拟机这两部分统称为JRE (Java Runtime Environment),JRE是支持Java程序运行的标准环境 **3.**根据各个组成部分的功能来划分，可用分为4个平台 (1)Java Card:支持一些Java小程序运行再小内存设备上的平台 (2)Java ME:支持Java程序运行在移动终端上的平台 (3)Java SE:支持面向桌面级的应用，提供了完整的Java核心API (4)Java EE:支持使用多层架构的企业引用，除了提供Java SE外，还做了大量 的扩充并提供了相关的部署支持 **4.运行时数据区域** Java在运行程序时会将它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域 **(1)程序计数器** 可以看作是当前线程所执行字节码的行号指示器，字节码解释器工作就是通过改变计数器的值 来选取下一条需要执行的字节码命令。一个处理器都只会执行一条线程中的命令，每条线程都 需要有一个独立的程序计数器，各线程的计数器之间互不影响，独立存储。如果线程正在执行 的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令代码。如果正在执行的 是Native方法，这个计数器值为空，此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有任何规 定的OutOfMemoryError情况的区域。 **(2)Java虚拟机栈** 与计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期和线程相同。虚拟机栈描述的是 Java方法执行的内存模型:每个方法再执行的同时都会创建一个栈帧，用于储存局部变量表， 操作数栈，动态链接，方法出口等信息，每个方法从调用至执行的过程中，就对应这一个栈帧 在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。局部变量所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个 方法时，所需要在帧中的分配多大的局部空间是完全确定的，方法运行期间不会改变局部变量 表的大小。这个区域规定了两种异常:如果线程请求栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出 StackOverflowError异常，如果虚拟机栈可用动态扩展，扩展时无法申请到足够的内存， 就会抛出OutOfMemoryError异常。 **(3)本地方法栈** 本地方法栈和Java虚拟机栈的作用非常相似，区别只是虚拟机栈为执行Java方法服务，本地 方法栈则为虚拟机使用的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中使用的语言没有 强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。与虚拟机栈一样本地方法栈也会抛出 StackOverflowError异常和OutOfMemory异常。 **(4)Java堆** Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，是被所有线程共享的一片区域。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。Java堆是垃圾管理器 管理的主要区域，因此很多时候也被称作“GC堆”。从内存分配的角度来看，Java堆可用划分出 多个线程私有的分配缓冲区，无论怎么划分，都与存放内容无关，存储的仍然是对象实例，进一步 划分是为了更好的回收内存，或者更快得分配内存。Java堆可用处于物理上不连续的内存空间中， 只要逻辑上是连续的即可，如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法扩展时，将会抛出 OutOfMemoryError异常。 **(5)方法区** 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 变量等数据。虽然Java虚拟机规范把堆描述为堆的一个逻辑部分，但是它有一个别名叫做"Non-Heap" 即非堆，目的是与Java堆区分开来。Java虚拟机堆方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要 连续的内存即可选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集在 这个区域是比较少出现的，这个区域主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，条件相当苛刻。Java 虚拟机规范规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。 **(6)运行时常量池** 运行时常量池是方法区的一部分，Class文件中除了有类的版本，字段，方法，接口等描述信息外，还 有一项信息是常量池，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方 法区的运行时常量池中存放。对于运行常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节要求，不同的提供商 可以按照自己的需要来实现这个内存区域。运行时常量池还有一个重要特征是具备动态性，Java语言 常量不一定只有在编译期间才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入运行时 常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特效被开发人员用的最多的是String类的intern 方法。当常量池无法申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。 **5.直接内存** 直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但这部分 内存也被频繁地使用，在JDK1.4中新引入了NIO(new Input/Output)类，引入了一种基于通道与 缓存区的I/O方式，可用使用Native函数库直接分配堆外内存，然后用过一个存储在Java堆中的 DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作，避免了Java堆和Native堆中来回复制数据， 在一些应用场景中显著提高性能。当直各个内存区域总和大于物理内存限制时会抛出OutOfMemoryError 异常。 **6.对象的创建** 当虚拟机遇到一条new命令时，先去检查这个命令参数能否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被加载，解析，初始化过，如果没有，则必须先执行相应的类加载过程。之后， 虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存在类加载完成后便可完全确定，为对象分配内存空间相当于把一 块确定大小的内存从Java堆中划分出来。划分可用空间一般有两种方法，一种是“指针碰撞”，另一种是 “空闲列表”，选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而其又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理 功能决定。对象的创建是虚拟机中非常频繁的行为，即使只是修改一个指针指向的位置，在并发的情况下也 不是线程安全的，可能出现正在给对象分配内存，指针还没来得及修改，另一个对象又使用了原来的指针分配 内存的情况。解决这个问题有两种方案，一是堆分配内存的动作进行同步处理，另一种是把内存分配的动作 划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一块小的内存，被称为本地线程分配缓冲(TLAB) 哪个线程需要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配。内存分配完后，虚拟机要将分配的内存空间都初始化为0, 这一操作保证了对象实例再Java代码中可以不赋值就使用。接下来虚拟机要对对象信息进行必要的设置，这些信息 存放在对象头之中。从虚拟机的视角上看，一个对象已经产生了，但从Java程序的视角上看，还需要执行<init> 方法对对象进行初始化，一个真正可用的对象才算完全产生出来。 **7.对象的内存布局** 对象在内存中的存储布局可以分为3块区域:对象头，实例数据和对齐填充。 **(1)对象头** 对象头包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身运行时数据，如哈希码，GC分代年龄，锁状态标志等。对象头 的另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。不是 所有虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，如果对象是数组，对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。 **(2)实例数据** 实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是程序代码中定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的， 还是在子类中定义的，都需要记录下来。这部分的存储顺序会受虚拟机分配策略参数和字段在Java中的定义顺序的 影响。 **(3)对齐填充** 这一部分并不是必然存在的，也没有特别的含义，仅起着占位符的作用，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通 过对齐填充来补全。 **8.对象的访问定位** Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。对象访问方式取决于虚拟机的实现，目前主流的 访问方式有使用句柄和直接指针两种。 **(1)使用句柄** Java堆中将会划分出一块内存作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，句柄中包含了对象实例数据 与类型数据各自的具体地址信息 **(2)直接指针访问** Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中存储的直接就是对象地址。 两种访问方式各自的优点: 使用句柄访问最大的好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，对象被移动(垃圾收集时移动对象是非常普遍 的行为)时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。 使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销。 **9.OutOfMemoryError异常** **(1)Java堆溢出** Java堆用于存储对象实例，只要不断地创建对象，并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制 清楚这些对象，那么对象数量达到最大堆的容量限制后就会产生内存溢出异常。当Java堆内存溢出时，异常堆信息 会进一步提示"Java heap space"。要解决这个区域的异常，一般是先通过内存影响分析工具对Dump出来的转 储快照进行分析，重点是确认内存中的对象是否必要的，先分清楚是发生了内存泄露还是内存溢出。如果是内存泄露， 可进一步通过工具查看泄露对象到GC Roots的引用链，于是就能找到泄露对象是通过怎样的路径与GC Roots相关联 并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。掌握了这些信息就可用比较准确地定位出泄露代码的位置。如果不存在泄露， 就是内存中的对象确实都还必须或者，就应当检查虚拟机的堆参数，与机器物理内存对比是否还可用调大，从代码上 检查是否存在某些生命周期过长，持有状态时间过长的情况，尝试减少程序运行期的内存消耗。 **(2)虚拟机栈和本地方法栈溢出** Java虚拟机中描述了两种异常，如果线程请求栈深度大于虚拟机允许的最大深度，将抛出StackOverflowError 异常，如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，将抛出OutOfMemoryError异常。实验结果表明，无论 是栈帧太大还是虚拟机容量太小，当内存无法分配的时候，抛出的都是StackOverflowError异常。如果测试不限 于单线程，通过不断地建立线程的方式倒是可用产生内存溢出异常。建立过多线程导致的内存溢出，在不能减少线程数 或者更换64位虚拟机的情况下，就只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取更多的线程。 **(3)方法区和运行时常量池溢出** 运行时常量池是方法区的一部分，当前的主流框架如Spring，Hibernate在对类进行增强时，会使用到GCLib这类 字节码技术，增强的类越多，就需要越大的方法区来保证动态生成的Class可用加载入内存，经常会出现这类问题。在 经常动态生成大量Class的应用中，需要特别注意类的回收状况，除了GCLib和动态语言之外，常见的还有JSP或者动态 生成JSP的应用，基于OSGi的应用。 **(4)本机直接内存溢出** 当代码越过DirectBytesBuffer类，直接通过反射获取实例进行内存分配时会产生该异常，因为虽然使用 DirectBytesBuffer分配内存也会抛出内存溢出异常，但抛出的异常并没有真正向操作系统申请分配内存， 而是手动计算得知内存无法分配，手动抛出异常，由DirectBytesBuffer导致的内存溢出，一个明显的特征是 Heap Dump文件中不会看见明显的异常。
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