JVM原理详解

JVM组成

JVM组成

使用Java语言编写.java Source Code文件，通过javac编译成.class Byte Code文件。

class loader类加载器：将所需所有类加载到内存，必要时将类实例化成实例。

图中中间部分是进程的内存逻辑结构，称为Jvm运行时区域，由下面几部分构成：

-方法区：所有线程共享的内存空间，存放已加载的类信息、常量和静态变量。

-heap堆：所有线程共享的内存空间，存放创建的所有对象。堆是靠GC垃圾回收器管理的。

-Java栈：每个线程会分配一个栈，存放线程用的本地变量、方法参数和返回值等。

-PC寄存器：PC, 即Program Counter，每一个线程用于记录当前线程正在执行的字节码指令地址。因为线程需要切换，当一个线程被切换回来需要执行的时候，知道执行到哪里了。

-本地方法栈：为本地方法执行构建的内存空间，存放本地方法执行时的局部变量、操作数等。

-所谓本地方法，简单的说是非Java实现的方法，例如操作系统的C编写的库提供的本地方法，Java调用这些本地方法接口执行。但是要注意，本地方法应该避免直接编程使用，因为Java可能跨平台使用，如果用了Windows API，换到了Linux平台部署就有了问题。

虚拟机

目前Oracle官方使用的是HotSpot， 它最早由一家名为"Longview Technologies"公司设计，使用了很多优秀的设计理念和出色的性能，1997年该公司被SUN公司收购。后来随着JDK一起发布了HotSpot VM。目前HotSpot是最主要的VM。

安卓程序需要运行在JVM上，而安卓平台使用了Google自研的Java虚拟机——Dalvid，适合于内存、处理器能力有限系统。

垃圾收集器

堆内存里面经常创建、销毁对象，内存也是被使用、被释放。如果不妥善处理，一个使用频繁的进程，将可能有内存容量，但是无法分配出可用内存空间，因为没有连续成片的内存了，内存全是碎片化的数据。

回收基本算法

1.引用计数

每一个堆内对象上都与一个私有引用计数器，记录着被引用的次数，引用计数清零，该对象所占用堆内存就可以被回收。循环引用的对象都无法引用计数归零，就无法清除。

2.标记-清除 Mark-Sweep

分垃圾标记阶段和内存释放阶段。标记阶段，找到所有可访问对象打个标记。清理阶段，遍历整个堆，对未标记对象清理。

由图可知，标记-清除最大的问题会造成内存碎片。

3.复制 Copying
先将可用内存分为大小相同两块区域A和B，每次只用其中一块，比如A。当A用完后，则将A中存活的对象复制到B。复制到B的时候连续的使用内存，最后将A一次性清除干净。缺点是比较浪费内存，能使用原来一半的内存，因为内存对半划分了，复制过程毕竟也是有代价。好处是没有碎片，复制过程中保证对象使用连续空间。

4.标记-压缩 Mark-Compact
分垃圾标记阶段和内存整理阶段。标记阶段，找到所有可访问对象打个标记。内存清理阶段时，整理时将对象向内存一端移动，整理后存活对象连续的集中在内存一端。

由上图可知，标记-压缩算法好处是整理后内存空间连续分配，有大段的连续内存可分配，没有内存碎片。缺点是内存整理过程有消耗。

5.分代收集算法
既然上述垃圾回收算法都有优缺点，能不能对不同数据进行区分管理，不同分区对数据实施不同回收策略，分而治之。

1.7及以前，堆内存分为新生代、老年代、持久代。

1.8开始，持久代没有了，取而代之MetaSpace。

STW

对于大多数垃圾回收算法而言，GC线程工作时，停止所有工作的线程，称为Stop The World。GC完成时，恢复其他工作线程运行。这也是JVM运行中最头疼的问题。

分代堆内存GC策略

堆内存分代

Heap堆内存分为

• 新生代：刚刚创建的对象
  • 伊甸园区
  • 存活区Servivor Space：有2个存活区，一个是from区，一个是to区。它们大小相等、地位相同、可互换。
  • to指的是本次复制数据的目标区
• 老年代：长时间存活的对象
• 持久代：JVM的类和方法

新生代回收

起始时，所有新建对象都出生在eden，当eden满了，启动GC。这个称为Young GC，Minor GC。

先标记eden存活对象，然后将存活对象复制到s0（假设本次是s0，也可以是s1，它们可以调换），eden剩余所有空间都“清空”。GC完成。

继续新建对象，当eden满了，启动GC。

先标记eden和s0中存活对象，然后将存活对象复制到s1。将eden和s0“清空”。

继续新建对象，当eden满了，启动GC。

先标记eden和s1中存活对象，然后将存活对象复制到s0。将eden和s1“清空”。

以后就重复上面的步骤。

大多数对象都不会存活很久，而且创建活动非常多，新生代就需要频繁垃圾回收。

但是，如果一个对象一直存活，它最后就在from、to来回复制，如果from区中对象复制次数达到阈值，就直接复制到老年代。

老年代回收

进入老年代的数据较少，所以老年代区被占满的速度较慢，所以垃圾回收也不频繁。老年代GC称为Old GC，Major GC。

由于老年代对象一般来说存活次数较长，所有较常采用标记-压缩算法。

Full GC：对所有“代”的内存进行垃圾回收

Minor GC比较频繁，Major GC较少。但一般Major GC时，由于老年大对象也可以引用新生代对象，所以先进行一次Minor GC，然后在Major GC会提高效率。可以认为回收老年代的时候完成了一次Full GC。

GC触发条件

Minor GC触发条件：当eden区满了触发

Full GC触发条件：

• 老年代满了
• 新生代搬向老年代，老年代空间不够
• 持久代满了
• System.gc()手动调用。不推荐

调整策略

• 减少STW时长，串行变并行
• 减少GC次数，要分配合适的内存大小

对JVM调整策略应用极广

• 在WEB领域中Tomcat等
• 在大数据领域Hadoop生态各组件
• 在消息中间件领域的Kafka等
• 在搜索引擎领域的ElasticSearch、Solr等

在不同领域对JVM需要不同的调整策略

垃圾收集器类型

按回收线程数：指的是GC线程是否串并行

• 串行垃圾回收器：一个GC线程完成回收工作
• 并行垃圾回收器：多个GC线程同时一起完成回收工作，充分利用CPU资源

按工作模式不同：指的是GC线程和工作线程是否一起运行

• 并发垃圾回收器：让GC线程垃圾回收某些阶段可以和工作线程一起进行。
• 独占垃圾回收器：只有GC在工作，STW一直进行到回收完毕，工作线程才能继续执行。

一般情况下，我们大概可以使用以下原则：

客户端或较小程序，内存使用量不大，可以使用串行回收；

对于服务端大型计算，可以使用并行回收；

大型WEB应用，用户端不愿意等，尽量少的STW，可以使用并发回收；

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