理解JVM和GC回收机制

深藏阁楼爱情的钟 2023-07-24 02:19 106阅读 0赞

## 一、JVM是什么？ ##

java虚拟机（java virtual machine,JVM）一种能够运行java字节码的虚拟机。作为一种编程语言的虚拟机，实际上不只是专应用于java语言，只要生成的编译文件匹配JVM对加载编译文件格式要求，任何语言都可以JVM编译运行，比如：kotlin,scala等。  
JVM有很多不只是Hotspot,还有JRockit、J9等等。

## 二、JVM的基本结构 ##

JVM由3个主要的子系统组成：

1.  类加载子系统
2.  运行时数据区（内存结构）
3.  执行引擎

## 三、运行时数据区 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTUwNzMyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70]

1.  **方法区**  
    类的所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在这里定义。简单来说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，静态变量+常量+类信息（构造方法/接口定义）+运行时常量池都保存在方法区中。虽然Java虚拟机规范把方法区描述成堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap(非堆)，目的应该是和java的堆区分开。
2.  **堆（Heap）**  
    虚拟机启动时自动分配创建，用于存放对象的实例，几乎所有对象都在堆上分配内存，当对象在该空间无法分配到内存时将抛出OutOfMemoryError异常。同时也是垃圾回收器管理的主要区域。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTUwNzMyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
    2.1 **新生代**  
    类出生、成长、消亡的区域，一个类在这里产生、应用最后被垃圾回收器收集，结束生命。  
    新生代分为两部分：伊甸区（Eden space）和幸存者区(Survivor space),所有的类都是在伊甸区被new出来的。幸存区又分为From区和To区。当Eden区的空间用完时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将Eden区进行垃圾回收（Minor GC或者叫Yong GC），将Eden区中不再被其他对象引用的对象进行销毁。然后将Eden区中剩余的对象移动到From Survivor区。若From Survivor也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到To Survivor区。（新生代和老年代所占内存默认是1\\3：2/3）  
    拓展：From Survivor区的对象转移到To Survivor区后，这时候From Survivor区和To Survivor区发生相互转为对方也就是From变成To,To变成From,始终保持To Survivor是空的为From Survivor爆满做准备，一个对象来回转变默认**15次**就会放到老年代中。  
    From Survivor区和To Survivor区的默认内存大小是1:1。  
    2.2 **老年代**  
    新生代经过多次GC仍然存活的对象移动到老年区也有在创建时比较大的对象直接放到老年区。若老年代也满了，这时候将发生Major GC(也可以叫Full GC)进行老年区的内存清理。若老年区执行了Full GC之后发现仍然无法进行对象的保存，就会抛出OOM（OutOfMemoryError）异常。  
    拓展：新生代进行一次Yong GC速度快耗用时间少，不会停止用户线程；相反老年代存放的都是比较大存活时间比较长的对象，进行一次Full GC的时间较长，会发生STW事件即会停止当前的用户进程。所以进行jvm调优大多数是针对Full GC执行的时间和次数进行调优。  
    线程私有的内存区域是jvm内部进行清理回收我们一般不用管。  
    2.3 **元空间**  
    在jdk8后，元空间替代了永久代，它是对jvm规范中方法区的实现，区别在于元数据不在虚拟机中，而用的本地内存，永久代在虚拟机中，永久代在逻辑结构上也属于堆，但是物理上不属于。
3.  **虚拟机栈**  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTUwNzMyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
    **虚拟机栈**：java线程执行方法的内存模型，一个线程对应一个栈，每个方法在执行的时候都会创建一个栈帧（用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息）不存在垃圾回收问题，只要线程已结束该栈就释放，生命周期和线程一致。（先入后出）  
    **局部变量表**：存放的是函数的入参，以及局部变量和引用变量的地址。  
    **操作数栈**：存放调用过程中的计算结果的临时存放区域,计算完成后会把相应的变量和值推送至局部变量表中。  
    **动态链接**：在程序运行时把符号引用转为直接引用的过程。  
    **返回地址**：持有方法调用者的指针也就时内存地址。

虚拟机栈生命周期与线程相同。启动一个线程，程序调用函数，栈帧被压入栈中，函数调用结束，相应的是栈帧的出栈。

1.  **本地方法栈**  
    和栈的作用很相似，区别不过是java栈为jvm执行java方法服务，而本地方法栈为jvm执行native方法服务，登记native方法，在执行引擎执行时执行本地方法库。  
    java底层是用c++和c语言写的，本地方法栈存放的就是c++和c自己内部的一些库函数。  
    举例：

@Test
        public void test3(){
            new Thread().start();
        }

public synchronized void start() {
            /**
             * This method is not invoked for the main method thread or "system"
             * group threads created/set up by the VM. Any new functionality added
             * to this method in the future may have to also be added to the VM.
             *
             * A zero status value corresponds to state "NEW".
             */
            if (threadStatus != 0)
                throw new IllegalThreadStateException();
    
            /* Notify the group that this thread is about to be started
             * so that it can be added to the group's list of threads
             * and the group's unstarted count can be decremented. */
            group.add(this);
    
            boolean started = false;
            try {
                start0();
                started = true;
            } finally {
                try {
                    if (!started) {
                        group.threadStartFailed(this);
                    }
                } catch (Throwable ignore) {
                    /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
                      it will be passed up the call stack */
                }
            }
        }
    
        private native void start0();

我们可以发现线程的启动方法start,在java语言中并没有启动的实际操作只是调用了一个本地方法public native void start0方法，这个方法就是c++来实现的。  
5. **程序计数器**  
就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（用来存储指向下一条指令的地址，即将要执行的指令代码，由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不计）

## 四、JVM调优常用参数 ##

1.  jinfo  
    查看正在运行的java程序的扩展参数。  
    jinfo -flags pid
2.  jstat  
    查看堆内存各部分的使用情况  
    jstat -gc pid
3.  jmap  
    可以导出堆内存的快照hprof文件
4.  可以利用jdk自带的visualVM工具来查看当前线程的堆内存使用情况或者导入dump快照文件进行分析。
5.  jstack  
    用于生成java虚拟机当前的线程快照  
    jstack pid > name.txt  
    比如：可以用这个命令来查看线程死锁的异常。
6.  查看GC日志，分析Full GC

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