JVM筆記

時間  2021-08-15 標籤 Java java jvm 編程語言

一、什麼是JVM：

  • Java虛擬機是一臺執行Java字節碼的虛擬計算機，它擁有獨立的運行機制，其運行的Java字節碼也未必是由Java語言編譯而成。

二、JVM的作用：

  • Java虛擬機就是二進制字節碼的運行環境，負責裝載字節碼到其內部，解釋編譯爲對應平臺的機器執行指令，每一條Java指令，Java虛擬機規範中都有詳細定義，如怎麼取操作，怎麼處理操作，處理結果放在那裏。

三、JVM的特點：

  • 一次編譯，導出運行
  • 自動內存管理
  • 自動垃圾回收功能

四、JVM種類：

  • Sun Classic VM：世界上第一框商用Java虛擬機JDK1.4時被完全淘汰。
  • Exact VM：JDK1.2時Sun公司提供該虛擬機，後被HotSpot虛擬機替換。
  • JRockit VM：該虛擬機號稱是世界上最快的JVM，因爲其內部不包含解釋器，所以速度確實快，2008年，開發該虛擬機的公司唄Oracle公司收購。
  • J9 VM：IBM公司研發，廣泛適用於IBM公司的各種Java產品。
  • HotSpot VM：目前HotSpot虛擬機佔有絕對的市場地位，不管是曾經大量使用的JDK6還是現在使用較多的JDK8中默認的虛擬機都是HotSpot，Sun JDK和Open JDK的默認虛擬機都是HotSpot。

五、JVM的整體結構：
JVM結構圖
1.程序計數器（Program Counter Register）：

  • 介紹：它是程序控制流的指示器，分支、循環、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器完成。

  • 作用：PC寄存器用來存儲指向下一條指令的地址，也即將要執行的指令代碼，由執行引擎讀取下一條指令。

2.Java虛擬機棧（Java stack）：

  • 介紹：Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stack），早期也叫Java棧，每個線程在創建的時候都會創建一個虛擬機棧，其內部保存一個個的棧幀（Stack Frame），對應着一次次的Java 方法調用。（線程私有）。

  • 作用：主管Java程序的運行，它保存方法的局部變量（8種基本數據類型，對象的引 用地址）、部分結果、並參與方法的調用和返回。

  • 棧的特點：棧是一種快速有效的分配內存的方式，訪問速度僅次於程序計數器。Java直接對棧的操作只有兩個：每個方法的執行，伴隨着進棧（入棧、壓棧）、執行結束後的出棧工作。棧中不存在垃圾回收問題。

  • 棧中存儲的棧幀的內部結構：

  • 局部變量表（Local Variables）

  • 操作數棧（Operand Stack）（或表達式）

  • 動態鏈接（Dynamic Linking）（或指向運行時常量池的方法引用）

  • 方法返回值地址（Return Address）（或方法正常退出或者異常退出的定義）

  • 一些附加信息
    Java棧幀結構

3.本地方法棧

  • Java虛擬機用於管理Java方法的調用，而本地方法棧用於管理本地方法的調用。
    本地方法棧也是線程私有的，它由C語言實現
    本地方法棧的具體實現是Native Method Stack中登記native方法，在Execution Engine執行加載本地方法庫。

4.堆

  • 一個Java實例只存在一個堆內存，堆也是唯一Java內存管理的核心區域。
  • Java堆區在JVM啓動的時候即被創建，其空間大小也就確定了，是JVM管理中的最大一塊內存空間（堆的大小是可以調節的）。
  • 《Java虛擬機規範》規定，堆可以處於物理上不連續的內存空間中，但在邏輯上它應該是被視爲連續的。
  • 所有的線程共享Java堆，在這裏還可以劃分線程私有的緩衝區（Thread Local Allocation Buffer ，TLAB）。
  • 數組和對象可能永遠不會存儲在棧上，因爲棧幀中保存引用，這個引用指向對象或者數組在堆中的位置。
  • 在方法區結束後，堆中的對象不會馬上移除，僅僅在垃圾收集的時候纔會被移除。
  • 堆是GC（Carbage Collection。垃圾收集器）執行垃圾回收的重點區域
    類的實例化原理
  • 堆內存細分：新生區（Eden+Survivor1+Survivor2）+養老區+元空間（JDK7之前叫做永久區）
    堆空間結構

5.垃圾回收（GC）：

  • JVM在進行GC時，並非每次都對三個內存（新生代、老年代、方法區）區域一起回收，大部分時候回收的都是新生代。
    針對HotSpot VM的實現，它裏面GC按照回收區域又分爲兩大種類型：一種是部分收集（Partial GC），一種是整堆收集（Full GC）
  • 部分收集：不是完整的收集整個Java堆的垃圾收集，其中又分爲：
  • 新生代收集（Minor GC / Young GC）：只是新生代的垃圾收集。
  • 老年代收集（MaJor GC / Old GC）: 只是老年代的垃圾收集。
  • 目前只有CMS GC 會有單獨收集老年代的行爲
  • 注意：很多時候Major GC 和 Full GC混淆使用，需要具體分辨是老年代回收還是整體回收。
  • 混合回收（Mixed GC）：收集整個新生代以及部分老年代的垃圾收集（只有G1 GC會有這種行爲）
  • 整堆收集（Full GC）：收集整個Java堆和方法區的垃圾收集。
  • 年輕代GC（Minor GC）觸發機制：
  • 當年輕代空間不足時，就會觸發Minor GC，這裏的年輕代滿指的是Eden滿，Survivor滿不會引發GC（每次Minor GC會清理年輕代的內存）
  • 因爲Java對象大多是具備朝生夕死的特性，所以Minor GC非常頻繁，一般回收速度也是比較快，這一定義即清晰又易於理解。
  • Minor GC會引發STW，暫停其它用戶的線程，等垃圾回收結束，用戶線程纔會恢復運行。
  • 老年代GC（Major GC / Full GC）觸發機制：
  • 指發生在老年代的GC，對象從老年代消失時，我們稱爲"Major GC" 或 "Full GC"發生了。
  • 出現了Major GC經常會伴隨至少一次的Minor GC（但非絕對的，在Parallel Scevenge收集器的手機策略裏就有直接進行Major GC的策略選擇過程。就是說在老年代空間不足時，會先嚐試觸發Minor GC，如果之後空間還不足，則會觸發Major GC）。
  • Major GC的速度一般會比Minor GC慢10倍以上，STW的時間更長。
  • 如果Major GC後，內存還是不足，就報OOM了。
  • Major GC的速度一般會比Minor GC慢10倍以上。
  • Full GC觸發機制
  • 1、調用System.gc()時，系統建議執行Full GC，但是不必然執行。
  • 2、老年代空間不足。
  • 3、方法區空間不足。
  • 4、通過Minor GC後進入老年代的平均大小大於老年代的可用內存。
  • 5、由Eden區、survivor space0（From Space）區向survivor space1（To Space）取複製時，對象大小大於To Space可用內存，則把該對象轉存到老年代，且老年代的可用內存小於該對象的大小。
  • 說明：Full GC是開發或調優中儘量要避免的，這樣暫停時間（STW）會短一些。

6.方法區

  • 方法區可以看做是一塊獨立於Java堆的內存結構。
  • 方法區（Method Area）與Java堆一樣，是各個線程共享的內存區域。
  • 方法區在JVM啓動的時候被創建，並且它的實際物理內存空間中和Java堆區一樣都可以是不連續的。
  • 方法區的大小，跟堆空間一樣，可以選擇固定大小或者可擴展。
  • 方法區的大小決定了系統可以保存多少個類，如果系統定義了太多的類，導致方法區溢出，虛擬機同樣會拋出內存溢出錯誤。
  • 關閉JVM就會釋放這個區域的內存。
  • 方法區的垃圾收集主要是回收兩部分內容，常量池中廢棄的常量和不再使用的類型。

7.執行引擎

  • 執行引擎的任務就是將字節碼指令解釋/編譯爲對應平臺上的本地機器指令，簡單來說，JVM中的執行引擎充當了將高級語言翻譯爲機器語言的譯者。
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