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JVM组成

什么是程序计数器

线程私有的，内部保存的字节码行号。用于记录正在执行的字节码指令的地址。

堆

线程共享的区域：主要用来存储对象、数组等，当堆中没有内存空间可分配给实例，也无法扩展时，则会抛出OOM异常。

堆由年轻代和老年代组成。年度又分为Eden区和两个大小一致的Survivor区，老年代主要保存生命周期长的对象。

1.7对中有一个方法区/永久代，存储的是类信息、静态变量、常量、编译后的代码。1.8移除了1.7中的方法区/永久代，把数据存储到了本地内存的元空间中，防止内存溢出。

虚拟机栈

每个线程运行时需要的内存被称为虚拟机栈。

每个栈由多个栈帧组成，对应着每次方法调用时所占用的内存。

每个线程只能由一个活动的栈帧，对应着当前正在执行的那个方法。

垃圾回收是否涉及栈内存？

垃圾回收主要是针对堆，当栈栈弹栈后，内存就会被释放。

栈内存分配越大越好嘛？

不一定，默认的栈内存通常为1024k。

栈帧过大会导致线程数变少。机器总内存512M，目前能活动的线程数则为512个，若给栈内存改为2048K，那么活动栈帧就会减半。

方法内的局部变量释放线程安全？

如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围，它是线程安全的。

如果是局部变量引用了对象，并逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全。

栈内存溢出

栈帧过多：递归。

栈帧过大。

堆和栈的区别

栈内存一般存储局部变量和方法调用，堆内存是用来存储Java对象和数组的。

栈不会被GC，堆会。

栈内存是私有的，堆是工有的。

栈或堆空间不在都会抛异常，栈抛的StackOverFlowError，堆是OutOfMemoryError。

方法区

方法区是各个线程共享的内存区域

主要存储类的信息、运行时常量池。

虚拟机启动的时候创建，关闭的时释放

如果方法区中内存无法满足分配请求，则会抛出OutOfMemoryError: Metaspace。

常量池

可以看作一张表，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、字面量等信息。

当类被加载，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。

直接内存

直接内存并不属于JVM中的内存结构，不由JVM进行管理。是虚拟机的系统内存，常见与NIO操作，用于数据缓冲，分配回收成本较高，但读写性能也高，不受JVM内存回收管理。

类加载器

什么是类加载器

类加载器将字节码文件加载到JVM中，并生成java.lang.Class类的一个实例让。

四种类加载器

  1. 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）加载JAVA_HOME/jre/lib目录下的库。
  2. 扩展类加载器（ExtClassLoader）：主要加载JAVA_HOME/jre/lib/ext目录中的类。
  3. 应用类加载器（AppClassLoader）：用于加载classpath下的类。
  4. 自定义类加载器（CustomizeClassLoader）：自定义类继承ClassLoader，实现自定义类加载规则。

什么是双亲委派模型

加载某个类，先委托上一级的类加载器进行加载，若上级加载器也有上级，则会继续向上委托，如果该类委托上级没有被加载，子加载器尝试加载类。

为什么需要双亲委派机制

  1. 通过双亲委派可以避免某个类被重复加载，当父类加载后则无需重复加载，保证唯一性。
  2. 为了安全，保证类库API不会被修改。

类转载的执行过程

加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载。共七个阶段。其中验证、准备、解析被称为连接阶段。

  1. 加载：查找和导入class文件。

    1. 通过全类名，获取类的二进制数据流。
    2. 解析类的二进制数据流到方法区，存储类的方法代码、变量名、方法名、访问权限等等。
    3. 创建java.lang.Class类的实例。类的Class实例只会有一个，因为类只加载一次。每个对象都会记得自己是由哪个Class实例生成。通过Class可以完整地得到一个类的完整结构。通过这个Class实例，获取方法区的数据。

  2. 验证：保证加载类的准确性。

    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

    前面三个验证都是格式验证，如检查文件格式释放错误、语法是否错误、字节码是否合规。

    符号验证：Class文件在其常量池通过字符串记录自己将要使用的其他类或方法，检查它们是否都存在。

  3. 准备：为类变量分配内存并设置类变量的初始值

    static变量，分配空间在该阶段完成并设置默认值，赋值在初始化阶段完成。

    static final 基本类型，字符串类型，值已经确定，分配空间并赋值。

    static final Object，分配空间并初始化。

  4. 解析：把类中的符号引用转化为直接引用。符号引用：方法中调用了其他方法，被调用的方法名可以理解为符号引用。直接引用就是使用指针直接指向方法。

  5. 初始化：对类的静态变量，静态代码块执行初始化操作。

    如果初始化一个类的时候，其父类尚未初始化，则优先初始化其父类。

    如果同时包含多个静态变量或静态代码块，则按照自上而下的顺序执行。

  6. 使用：JVM从入口方法开始执行用户的程序代码。

    调用类的静态属性或方法。

    使用new关键字为其创建对象实例。

  7. 卸载：用户代码执行完毕后，JVM便开始销毁创建的Class对象。

垃圾回收

如果一个或多个对象没有任何引用指向它了，那么这个对象就可以被回收了。

如何定位这种对象？可以使用引用计数法和根可达算法。

引用计数法：一个对象被引用了一次，在当前对象头递增一次引用技术，如果这个对象引用次数为0，则代表这个对象可被回收。不过它解决不了循环引用。

以GC Root为起点开始扫描，找不到的对象代表可以被回收。

GC Root：

  • 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变量。
  • 方法区中常量引用的对象
  • 本地方法栈中JNI（一般来说的Native方法）引用的对象。

JVM回收算法

标记清除

垃圾回收分为两个阶段：标记和清除。效率高，有内存碎片，导致内存不连续。

标记整理

将存活对象都向内存另一端移动，然后清理边界以外的垃圾。没有内存碎片，对象需要移动，效率相对较低。

复制算法

将原有的空间一分为二，每次只使用其中的一块，清理内存的时候将正在使用的对象复制到另一个内存空间中，然后将该内存空间清空，交换两个内存的角色。虽说没有碎片，但是内存使用率低。

分代回收

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  • 新创建的对象，都会被分配到eden区。
  • 当eden区内存不足，标记eden区和from区的存活对象。
  • 将存活对象使用复制算法复制到to中，复制完成后，eden区和from区内存都得到释放。from和to交互角色。
  • 当幸存区对象熬过几次回收，晋升到老年代。若幸存区内存不足或大对象会导致提前晋升。

Minor GC（young GC）：发生在新生代的垃圾回收，暂停时间短。

Mixed GC：新生代+老年代部分区域的垃圾回收，G1收集器特有。

Full GC：新生代+老年代完整垃圾回收，暂停时间长，应尽力避免。

垃圾回收器

串行垃圾回收

Serial和Serial Old串行垃圾回收，是指使用单线程进行垃圾回收，堆内存比较小，适合个人电脑。

Serial作用新生代，采用复制算法。

Serial Old作用老年代，采用标记整理。

垃圾回收时，只有一个线程在工作，并且java应用中的所有线程都要暂停（STW，Stop the world），等待垃圾回收的完成。

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并行垃圾收集器

Parallel New和Parallel Old是一个并行垃圾回收器，JDK8默认使用此垃圾回收器。

Parallel New作用新生代，采用复制算法。

Parallel Old作用老年代，采用标记整理算法。

垃圾回收时，多个线程在工作，并且java应用中的所有线程都要暂停，等待垃圾回收的完成。

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CMS（并发）垃圾收集器

CMS全程Concurrent Mark Sweep，是一款并发的、使用是标记清除算法的垃圾回收器，该回收器针对老年代垃圾回收的。目标是获取最短停顿时间。在垃圾回收时，应用仍然能正常运行。

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G1

应用于新生代和老年代，在JDK9之后默认使用G1。

划分了多个区域，每个区域都可以充当eden、survivor、old、humongous，其中humongous专为大对象准备。

使用的标记复制算法。

响应时间与吞吐量兼顾。

分成新生代回收（STW）、并发标记（重写标记STW）、混合收集三个阶段。

如果并发失败（即回收速度赶不上创建新对象速度），会触发Full GC。

新生代回收

初创时，所有区域都处于空闲状态。

创建了一些对象，挑出一些空闲区域左右eden区域来存储这种对象。

当eden需要垃圾回收时，挑出一个空闲区域做为幸存者区，用复制算法复制存活对象到幸存者区。需要暂停用户线程。

随着时间的流逝，eden内存又不足，会将eden区以及之前幸存者区中存活的对象，采用复制算法，复制到新的幸存者区，其中较老的对象晋升至老年代。

新生代垃圾回收+并发标记

当老年代占用内存超过阈值（默认是45%）后，触发并发标记，这时不用暂停用户线程。

并发标记完成后，会重写标记漏标的问题，这时需要暂停用户线程。

前面两步都完成后，就知道老年代又哪些存活的对象，随后进入混合收集阶段。此时不会对所有老年代区域进行回收，而是根据暂停时间目标优先回收价值高的区域（存活对象少）。

混合垃圾回收

该阶段中，参与回收的又eden，幸存区和老年代。

复制完成后，内存得到释放。进入下一轮的新生代回收、并发标记、混合收集。

强引用、软引用、弱引用、虚引用

强引用：只有所有GC Roots对象都不通过强引用引用该对象，该对象才能被垃圾回收。

软引用：当内存不足时，就会被回收。

弱引用：垃圾回收时，不管内存是否足够，都会回收该对象。

虚引用：必须配合引用队列使用，被引用对象回收时，会将虚引用入队，由Reference Handler线程调用虚引用相关方法释放直接内存。

JVM实践

JVM调优参数有哪些

对于JVM调优，主要是调整新生代、老年代、元空间的内存空间大小以及使用垃圾回收器类型。

  1. 设置堆空间的大小。
  2. 虚拟机栈的设置
  3. 新生代eden区和两个幸存区的大小比例
  4. 新生代晋升老年代的阈值
  5. 设置垃圾回收器

JVM调优工具

命令工具

  1. jps：进程状态信息。
  2. jstack：查看java进程内线程的堆栈信息。
  3. jmap：查看堆栈信息
  4. jhat：堆转储快照分析工具
  5. jstat：JVM统计监测工具

可视化工具

  1. jconsole：用户对jvm的内存，线程，类的监控。
  2. VisualVM：能够监控线程，内存情况。

内存泄漏排查思路

通常情况下有三个地方会出现。

  1. JVM虚拟机栈：StackOverflow。
  2. 堆：OutOfMemoryError：java heap space。
  3. 元空间：OutOfMemory：metaspace。

如何排查

  1. 获取堆内存快照dump
  2. VisualVM去分析dump文件。
  3. 通过查看堆信息的情况，定位内存溢出问题。

CPU飙高

  1. 使用top命令定位那一个进程占用CPU较高。
  2. 使用 ps H -ep pid,tid,%cpu | grep 刚刚定位到的进程id定位是哪个线程占用CPU较高。
  3. 使用jstack 进程id获取堆栈信息。其中nid表示的是线程id，只不过显示的是16进制数，只需要做一个进制转换即可确定具体是哪一行代码。