⚒️内存结构概述

🌕️类加载子系统

类的加载过程

jLkN9O.png

加载

  • 通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
  • 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
    • 方法区：jdk7之前叫永久代，之后叫元空间
    • 方法区只是一种规范，具体实现是永久代和元空间
  • 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

连接

验证
  • 目的在于确保class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，保证被加载类的正确性，不会危害虚拟机自身安全。
  • 主要包括四种验证，文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。:
准备
  • 为类变量分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值。
  • 这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就会分配了，准备阶段会显式初始化;
  • 这里不会为实例变量分配初始化，类变量(静态变量)会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中。
解析
  • 将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程。
  • 事实上，解析操作往往会伴随着JVM在执行完初始化之后再执行。
  • 符号引用就是一组符号来描述所引用的目标。符号引用的字面量形式明确定义在《java虚拟机规范》的class文件格式中。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。
  • 解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等。对应常量池中的CONSTANT Class info、CONSTANT Fieldref info、CONSTANT Methodref info等。

初始化

  • 初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit>()的过程。
  • <clinit> ()不同于类的构造器。构造器是虚拟机视角下的<init> ()
  • 此方法不需定义，是javac编译器自动收集类中的所有类变量(静态变量)的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来。
  • 若该类具有父类，JVM会保证子类的<clinit>()执行前，父类的<clinit> ()已经执行完毕。
  • 类构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行。
  • 虚拟机必须保证一个类的<clinit> ()方法在多线程下被同步加锁。(也就是为什么static下只会被加载一次)
    • 类在元空间被缓存起来，下次直接使用

类加载器的分类

  1. JVM严格来讲支持两种类型的类加载器 。分别为引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自定义类加载器（User-Defined ClassLoader）
  2. 从概念上来讲，自定义类加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的一类类加载器，但是Java虚拟机规范却没有这么定义，而是将所有派生于抽象类ClassLoader的类加载器都划分为自定义类加载器
  • 无论类加载器的类型如何划分，在程序中我们最常见的类加载器始终只有3个，如下所示

  • 这里四者是包含关系
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public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {

        //获取系统类加载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        //获取其上层：扩展类加载器
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d

        //获取其上层：获取不到引导类加载器
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);//null

        //对于用户自定义类来说：默认使用系统类加载器进行加载
        ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        //String类使用引导类加载器进行加载的。---> Java的核心类库都是使用引导类加载器进行加载的。
        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//null


    }
}
  • 我们尝试获取引导类加载器，获取到的值为 null ，这并不代表引导类加载器不存在，因为引导类加载器由 C/C++ 语言，我们获取不到
  • 两次获取系统类加载器的值都相同：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 ，这说明系统类加载器是全局唯一的

启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）

  1. 这个类加载使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部
  2. 它用来加载Java的核心库（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar或sun.boot.class.path路径下的内容），用于提供JVM自身需要的类
  3. 并不继承自java.lang.ClassLoader，没有父加载器
  4. 加载扩展类和应用程序类加载器，并作为他们的父类加载器
  5. 出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类

扩展类加载器（Extension ClassLoader）

  1. Java语言编写，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现
  2. 派生于ClassLoader类
  3. 父类加载器为启动类加载器
  4. 从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，或从JDK的安装目录的jre/lib/ext子目录（扩展目录）下加载类库。如果用户创建的JAR放在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载

应用程序类加载器（也称为系统类加载器，AppClassLoader）

  1. Java语言编写，由sun.misc.LaunchersAppClassLoader实现
  2. 派生于ClassLoader类
  3. 父类加载器为扩展类加载器
  4. 它负责加载环境变量classpath或系统属性java.class.path指定路径下的类库
  5. 该类加载是程序中默认的类加载器，一般来说，Java应用的类都是由它来完成加载
  6. 通过classLoader.getSystemclassLoader()方法可以获取到该类加载器

用户自定义类加载器

在Java的日常应用程序开发中，类的加载几乎是由上述3种类加载器相互配合执行的，在必要时，我们还可以自定义类加载器，来定制类的加载方式。那为什么还需要自定义类加载器？

  1. 隔离加载类（比如说我假设现在Spring框架，和RocketMQ有包名路径完全一样的类，类名也一样，这个时候类就冲突了。不过一般的主流框架和中间件都会自定义类加载器，实现不同的框架，中间价之间是隔离的）
  2. 修改类加载的方式
  3. 扩展加载源（还可以考虑从数据库中加载类，路由器等等不同的地方）
  4. 防止源码泄漏（对字节码文件进行解密，自己用的时候通过自定义类加载器来对其进行解密）

双亲委派机制

Java虚拟机对class文件采用的是按需加载的方式，也就是说当需要使用该类时才会将它的class文件加载到内存生成class对象。而且加载某个类的class文件时，Java虚拟机采用的是双亲委派模式，即把请求交由父类处理，它是一种任务委派模式

  • 如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行；
  • 如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器；
  • 如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式。
  • 父类加载器一层一层往下分配任务，如果子类加载器能加载，则加载此类，如果将加载任务分配至系统类加载器也无法加载此类，则抛出异常

总结：每一层向上委托实际上是向上询问是否加载过这个类，如果启动类加载器都没有加载过，就会向下委托加载，所以叫双亲委派

  • 双亲委派机制的优势
  1. 避免类的重复加载
  2. 保护程序安全，防止核心API被随意篡改
    • 自定义类：自定义java.lang.String 没有被加载。
    • 自定义类：java.lang.ShkStart（报错：阻止创建 java.lang开头的类）

沙箱安全机制

  • Java安全模型的核心就是沙箱,沙箱是一个限制程序运行的环境
  • 就是将Java代码限定在虚拟机JVM特定的运行范围内,严格限制代码对本地系统资源的访问,通过这样的措施来保证对代码的有效隔离,防止对本地系统造成破坏.

其他

在JVM中表示两个class对象是否为同一个类存在两个必要条件：

  • 类的完整类名必须一致，包括包名
  • 加载这个类的ClassLoader（指ClassLoader实例对象）必须相同
  • 换句话说，在JVM中，即使这两个类对象（class对象）来源同一个Class文件，被同一个虚拟机所加载，但只要加载它们的ClassLoader实例对象不同，那么这两个类对象也是不相等的

对类加载器的引用：

  1. JVM必须知道一个类型是由启动加载器加载的还是由用户类加载器加载的
  2. 如果一个类型是由用户类加载器加载的，那么JVM会将这个类加载器的一个引用作为类型信息的一部分保存在方法区中
  3. 当解析一个类型到另一个类型的引用的时候，JVM需要保证这两个类型的类加载器是相同的（后面讲）

🌕️运行时数据区

本节主要讲的是运行时数据区，也就是下图这部分，它是在类加载完成后的阶段

不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。结合JVM虚拟机规范，来探讨一下经典的JVM内存布局。

线程的内存空间

  • Java虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区：其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。另外一些则是与线程一一对应的，这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

    • 线程独有：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈
    • 线程间共享：堆、堆外内存（永久代或元空间、代码缓存）
      • 方法区是规范，永久代和元空间是具体实现

  • Runtime类

每个JVM只有一个Runtime实例，一个进程对应着一个JVM。即为运行时环境，相当于内存结构的中间的那个框框：运行时环境。

程序计数器

PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址，也即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令，并执行该指令。

  1. JVM中的程序计数寄存器（Program Counter Register）中，Register的命名源于CPU的寄存器，寄存器存储指令相关的现场信息。CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行。
  2. 这里，并非是广义上所指的物理寄存器，或许将其翻译为PC计数器（或指令计数器）会更加贴切（也称为程序钩子），并且也不容易引起一些不必要的误会。JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。
  3. 它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不记。也是运行速度最快的存储区域。
  4. 在JVM规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程的生命周期保持一致。
  5. 任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址；或者，如果是在执行native方法，则是未指定值（undefned）。
  6. 它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
  7. 字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。
  8. 它是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutofMemoryError情况的区域。

虚拟机栈

内存中的堆和栈

  • 栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。
    • 栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。
    • 堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放、放在哪儿。

什么是虚拟机栈？

  • Java虚拟机栈(Java virtual Machine stack)，早期也叫Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧
    (stack Frame），对应着一次次的Java方法调用。是线程私有的

  • 生命周期和线程一致。

  • 主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。

  • 优点

    • 栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于程序计数器。
    • JVM直接对Java栈的操作只有两个:
      • 每个方法执行，伴随着进栈(入栈、压栈)
      • 执行结束后的出栈工作
    • 对于栈来说不存在垃圾回收问题

栈中可能出现的异常

  • Java虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者是固定不变的。
    • 如果采用固定大小的Java虚拟机栈，那每一个线程的Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个stackOverflowError异常。
    • 如果Java虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那Java虚拟机将会抛出一个outofMemoryError异常。

栈中存储什么？

  • 每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以**栈帧(stack Frame)**的格式存在。

  • 在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧(stack Frame) .

  • 栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息。

  • 栈帧操作

    • JVM直接对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈，遵循“先进后出”原则。
    • 在一条活动线程中，一个时间点上，只会有一个活动的栈帧。即**只有当前正在执行的方法的栈帧（栈顶栈帧）是有效的，这个栈帧被称为当前栈帧(**Current Frame)，与当前栈帧相对应的方法就是当前方法（CurrentMethod），定义这个方法的类就是当前类(current class）。
    • 执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作。
    • 如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，放在栈的顶端，成为新的当前帧。

  • 栈帧细节

    • 不同线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用的，即不可能在一个栈帧之中引用另外一个线程的栈帧。
    • 如果当前方法调用了其他方法，方法返回之际，当前栈帧会传回此方法的执行结果给前一个栈帧，接着，虚拟机会丢弃当前栈帧，使得前一个栈帧重新成为当前栈帧。
    • Java方法有两种返回函数的方式，一种是正常的函数返回，使用return指令;另外一种是抛出异常。不管使用哪种方式,都会导致栈帧被弹出。

栈帧的内部结构

  • 局部变量表(Local variables)
  • 操作数栈（operand stack）(或表达式栈)
  • 动态链接(Dynamic Linking)（或指向运行时常量池的方法引用>
  • 方法返回地址（Return Address）(或方法正常退出或者异常退出的定义)
  • 一些附加信息

局部变量表
  1. 局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表
  2. 定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量，这些数据类型包括各类基本数据类型、对象引用（reference），以及returnAddress返回值类型。
  3. 由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据安全问题
  4. 局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的，并保存在方法的Code属性的maximum local variables数据项中。在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的。
  5. 方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。一般来说，栈越大，方法嵌套调用次数越多。
    • 对一个函数而言，它的参数和局部变量越多，使得局部变量表膨胀，它的栈帧就越大，以满足方法调用所需传递的信息增大的需求。
    • 进而函数调用就会占用更多的栈空间，导致其嵌套调用次数就会减少。
  6. 局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。
    • 在方法执行时，虚拟机通过使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。
    • 当方法调用结束后，随着方法栈帧的销毁，局部变量表也会随之销毁。
slot插槽的理解

  • 参数值的存放总是从局部变量数组索引 0 的位置开始，到数组长度-1的索引结束。

  • 局部变量表，最基本的存储单元是Slot（变量槽），局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型（8种），引用类型（reference），returnAddress类型的变量。

  • 在局部变量表里，32位以内的类型只占用一个slot（包括returnAddress类型），64位的类型占用两个slot（long和double）。

    • byte、short、char在储存前被转换为int，boolean也被转换为int，0表示false，非0表示true
    • long和double则占据两个slot

  • JVM会为局部变量表中的每一个Slot都分配一个访问索引，通过这个索引即可成功访问到局部变量表中指定的局部变量值

  • 当一个实例方法被调用的时候，它的方法参数和方法体内部定义的局部变量将会按照顺序被复制到局部变量表中的每一个slot上

  • 如果需要访问局部变量表中一个64bit的局部变量值时，只需要使用前一个索引即可。（比如：访问long或double类型变量）

  • 如果当前帧是由构造方法或者实例方法创建的，那么该对象引用this将会存放在index为0的slot处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。（this也相当于一个变量）

  • 栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重用的，如果一个局部变量过了其作用域，那么在其作用域之后申明新的局部变量变就很有可能会复用过期局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的。
操作数栈
  • 每一个独立的栈帧除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出（Last - In - First -Out）的 操作数栈，也可以称之为表达式栈（Expression Stack）
  • 操作数栈，在方法执行过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈（push）和 出栈（pop）
  • 某些字节码指令将值压入操作数栈，其余的字节码指令将操作数取出栈。使用它们后再把结果压入栈，
  • 比如：执行复制、交换、求和等操作

操作数栈的作用
  1. 操作数栈，主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。
  2. 操作数栈就是JVM执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会随之被创建出来，这时方法的操作数栈是空的。
  3. 每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值，其所需的最大深度在编译期就定义好了，保存在方法的Code属性中，为maxstack的值。
  4. 栈中的任何一个元素都是可以任意的Java数据类型
    • 32bit的类型占用一个栈单位深度
    • 64bit的类型占用两个栈单位深度
  5. 操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的，而是只能通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问。只不过操作数栈是用数组这个结构来实现的而已
  6. 如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中，并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。
  7. 操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配，这由编译器在编译器期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证。
  8. 另外，我们说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。

栈顶缓存技术：Top Of Stack Cashing

  1. 前面提过，基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址指令更加紧凑，但完成一项操作的时候必然需要使用更多的入栈和出栈指令，这同时也就意味着将需要更多的指令分派（instruction dispatch）次数（也就是你会发现指令很多）和导致内存读/写次数多，效率不高。
  2. 由于操作数是存储在内存中的，因此频繁地执行内存读/写操作必然会影响执行速度。为了解决这个问题，HotSpot JVM的设计者们提出了栈顶缓存（Tos，Top-of-Stack Cashing）技术，将栈顶元素全部缓存在物理CPU的寄存器中，以此降低对内存的读/写次数，提升执行引擎的执行效率。
  3. 寄存器的主要优点：指令更少，执行速度快，但是指令集（也就是指令种类）很多
动态链接
  1. 每一个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接（Dynamic Linking），比如：invokedynamic指令
  2. 在Java源文件被编译到字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用（Symbolic Reference）保存在class文件的常量池里。比如：描述一个方法调用了另外的其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用

方法的调用

在JVM中，将符号引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制相关

  • 静态链接：

当一个字节码文件被装载进JVM内部时，如果被调用的目标方法在编译期确定，且运行期保持不变时，这种情况下将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接

  • 动态链接：

如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，也就是说，只能够在程序运行期将调用的方法的符号转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也被称之为动态链接。

虚方法与非虚方法的区别

  1. 如果方法在编译期就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时是不可变的。这样的方法称为非虚方法。
  2. 静态方法、私有方法、final方法、实例构造器、父类方法都是非虚方法。
  3. 其他方法称为虚方法。

虚拟机中调用方法的指令

  • 普通指令：
  1. invokestatic：调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本
  2. invokespecial：调用<init>方法、私有及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本
  3. invokevirtual：调用所有虚方法
  4. invokeinterface：调用接口方法
方法返回地址

  • 存放调用该方法的pc寄存器的值。一个方法的结束，有两种方式：

    • 正常执行完成

    • 出现未处理的异常，非正常退出

  • 无论通过哪种方式退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者的pc计数器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。

  • 本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。此时，需要恢复上层方法的局部变量表、操作数栈、将返回值压入调用者栈帧的操作数栈、设置PC寄存器值等，让调用者方法继续执行下去。

  • 正常完成出口和异常完成出口的区别在于：通过异常完成出口退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值。

方法退出的两种方式

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法，

正常退出：

  1. 执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令（return），会有返回值传递给上层的方法调用者，简称正常完成出口；
  2. 一个方法在正常调用完成之后，究竟需要使用哪一个返回指令，还需要根据方法返回值的实际数据类型而定。
  3. 在字节码指令中，返回指令包含：
    • ireturn：当返回值是boolean，byte，char，short和int类型时使用
    • lreturn：Long类型
    • freturn：Float类型
    • dreturn：Double类型
    • areturn：引用类型
    • return：返回值类型为void的方法、实例初始化方法、类和接口的初始化方法

异常退出：

  1. 在方法执行过程中遇到异常（Exception），并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，简称异常完成出口。
  2. 方法执行过程中，抛出异常时的异常处理，存储在一个异常处理表，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码

本地方法栈

在介绍本地方法栈之前，先了解下本地方法是什么

本地方法属于在运行时数据区，这里方便理解先介绍本地方法

本地方法

  • 简单地讲，一个Native Method是一个Java调用非Java代码的接囗一个Native Method是这样一个Java方法：该方法的实现由非Java语言实现，比如C。这个特征并非Java所特有，很多其它的编程语言都有这一机制，比如在C++中，你可以用extern 告知C++编译器去调用一个C的函数。

为什么需要使用native方法 ？

  • Java使用起来非常方便，然而有些层次的任务用Java实现起来不容易，或者我们对程序的效率很在意时，问题就来了。
  • 通过使用本地方法，我们得以用Java实现了jre的与底层系统的交互，甚至JVM的一些部分就是用C写的。

什么是本地方法栈？

Java虚拟机栈于管理Java方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用。

  • 本地方法栈，也是线程私有的。

  • 允许被实现成固定或者是可动态扩展的内存大小（在内存溢出方面和虚拟机栈相同）

    • 如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个stackoverflowError 异常。
    • 如果本地方法栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的本地方法栈，那么Java虚拟机将会抛出一个outofMemoryError异常。

  • 本地方法一般是使用C语言或C++语言实现的。

  • 它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine 执行时加载本地方法库。

堆

堆与进程

  • 堆针对一个JVM进程来说是唯一的。也就是一个进程只有一个JVM实例，一个JVM实例中就有一个运行时数据区，一个运行时数据区只有一个堆和一个方法区。

  • 但是进程包含多个线程，所有的线程共享Java堆，在这里还可以划分线程私有的缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。

  • 一个JVM实例只存在一个堆内存，堆也是Java内存管理的核心区域。

  • Java堆区在JVM启动的时候即被创建，其空间大小也就确定了，堆是JVM管理的最大一块内存空间，并且堆内存的大小是可以调节的。

  • 《Java虚拟机规范》规定，堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的。

  • 《Java虚拟机规范》中对Java堆的描述是：所有的对象实例以及数组都应当在运行时分配在堆上。

  • 也因此，堆是GC（Garbage Collection，垃圾收集器）执行垃圾回收的重点区域。

  • 从实际使用角度看：“几乎”所有的对象实例都在堆分配内存，但并非全部。

    • 因为还有一些对象是在栈上分配的（逃逸分析，标量替换）

    • 数组和对象可能永远不会存储在栈上（不一定），因为栈帧中保存引用，这个引用指向对象或者数组在堆中的位置。

      jjddoj.png

  • 在方法结束后，堆中的对象不会马上被移除，仅仅在垃圾收集的时候才会被移除，也就是触发了GC的时候，才会进行回收

  • 如果堆中对象马上被回收，那么用户线程就会收到影响，因为有停止用户线程(stop the word)

堆内存细分

现代垃圾收集器大部分都基于分代收集理论设计，堆空间细分为：

  1. Java7 及之前堆内存逻辑上分为三部分：新生区+养老区+永久区
    • Young Generation Space 新生区 Young/New
      • 又被划分为Eden区和Survivor区
    • Old generation space 养老区 Old/Tenure
    • Permanent Space 永久区 Perm
  2. Java 8及之后堆内存逻辑上分为三部分：新生区+养老区+元空间
    • Young Generation Space 新生区，
      • 又被划分为Eden区和Survivor区
    • Old generation space 养老区
    • Meta Space 元空间 Meta

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设置堆内存

  1. Java堆区用于存储Java对象实例，那么堆的大小在JVM启动时就已经设定好了，大家可以通过选项”-Xms”和”-Xmx”来进行设置。
    • -Xms用于表示堆区的起始内存，等价于**-XX:InitialHeapSize**
    • -Xmx则用于表示堆区的最大内存，等价于**-XX:MaxHeapSize**
  2. 一旦堆区中的内存大小超过“-Xmx”所指定的最大内存时，将会抛出OutofMemoryError异常。
  3. 通常会将-Xms和-Xmx两个参数配置相同的值
  • 原因：假设两个不一样，初始内存小，最大内存大。在运行期间如果堆内存不够用了，会一直扩容直到最大内存。如果内存够用且多了，也会不断的缩容释放。频繁的扩容和释放造成不必要的压力，避免在GC之后调整堆内存给服务器带来压力。
  • 如果两个设置一样的就少了频繁扩容和缩容的步骤。内存不够了就直接报OOM
  1. 默认情况下:
    • 初始内存大小：物理电脑内存大小/64
    • 最大内存大小：物理电脑内存大小/4

新生代和老年代

  • 存储在JVM中的Java对象可以被划分为两类：
    • 一类是生命周期较短的瞬时对象，这类对象的创建和消亡都非常迅速
    • 另外一类对象的生命周期非常长，在某些极端的情况下还能够与JVM的生命周期保持一致
    • 默认的,新生代(Young) 与老年代(Old)的比例的值是 1:2
      • 默认**-XX:NewRatio**=2，表示新生代占1，老年代占2，新生代占整个堆的1/3
      • 可以修改**-XX:NewRatio**=4，表示新生代占1，老年代占4，新生代占整个堆的1/5
      • 可以使用选项”-Xmn”设置新生代最大内存大小，但这个参数一般使用默认值就可以了
  • 新生代
    • 伊甸园区(Eden)
    • 幸存者1区(survivor 1)
    • 幸存者0区(survivor 0)
      • 在HotSpot中，Eden空间和另外两个survivor空间所占的比例是8 : 1 : 1，
      • 当然开发人员可以通过选项**-XX:SurvivorRatio**调整这个空间比例。比如-XX:SurvivorRatio=8
      • 几乎所有的Java对象都是在Eden区被new出来的。
      • 绝大部分的Java对象的销毁都在新生代进行了（有些大的对象在Eden区无法存储时候，将直接进入老年代），IBM公司的专门研究表明，新生代中80%的对象都是“朝生夕死”的。

对象分配过程

为新对象分配内存是一件非常严谨和复杂的任务，JVM的设计者们不仅需要考虑内存如何分配、在哪里分配等问题，并且由于内存分配算法与内存回收算法密切相关，所以还需要考虑GC执行完内存回收后是否会在内存空间中产生内存碎片。

一般分配具体过程
  1. new的对象先放伊甸园区。此区有大小限制。
  2. 当伊甸园的空间填满时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收（YGC），将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。再加载新的对象放到伊甸园区。
    • 关于YGC，是由于伊甸园区满了后触发的垃圾回收
      • YGC同时对还对幸存者区进行垃圾回收
      • 也就是说伊甸园是主动回收，幸存者是被动回收
  3. 然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者0区，并进行年龄计数(to区，哪个空哪个就是to区)。

  • 如果再次触发垃圾回收
    • 此时伊甸园区中幸存的对象放入from区
    • 幸存者to区中幸存的对象放入from区
    • 幸存者年龄计数+1
    • from区和to区此时立场改变(哪个空哪个是to区)

jjyGND.png

  • 当年龄计数到达年龄限制(默认是15次),由幸存者去转入

    • 可以设置新生区进入养老区的年龄限制，设置 JVM 参数：**-XX:MaxTenuringThreshold**=N 进行设置

  • 在养老区内存不足时，再次触发GC：Major GC，进行养老区的内存清理

  • 若养老区执行了Major GC之后，发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常。

针对幸存者s0,s1区的总结:复制之后有交换，谁空谁是to

关于垃圾回收:频繁在新生区收集，很少在养老区收集，几乎不在永久区/元空间收集。

特殊情况

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YGC,MGC,FGC分类
  1. 我们都知道，JVM的调优的一个环节，也就是垃圾收集，我们需要尽量的避免垃圾回收，因为在垃圾回收的过程中，容易出现STW（Stop the World）的问题，而 Major GC 和 Full GC出现STW的时间，是Minor GC的10倍以上
  2. JVM在进行GC时，并非每次都对上面三个内存区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。针对Hotspot VM的实现，它里面的GC按照回收区域又分为两大种类型：一种是部分收集（Partial GC），一种是整堆收集（FullGC）
  • 部分收集：不是完整收集整个Java堆的垃圾收集。其中又分为：
    • 新生代收集（Minor GC/Young GC）：只是新生代（Eden，s0，s1）的垃圾收集
    • 老年代收集（Major GC/Old GC）：只是老年代的圾收集。
    • 目前，只有CMS GC会有单独收集老年代的行为。
    • 注意，很多时候Major GC会和Full GC混淆使用，需要具体分辨是老年代回收还是整堆回收。
    • 混合收集（Mixed GC）：收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。目前，只有G1 GC会有这种行为
  • 整堆收集（Full GC）：收集整个java堆和方法区的垃圾收集。

TLAB为对象分配内存

什么是TLAB?

  • 从内存模型而不是垃圾收集的角度，对Eden区域继续进行划分，JVM为每个线程分配了一个私有缓存区域，它包含在Eden空间内。
  • 多线程同时分配内存时，使用TLAB可以避免一系列的非线程安全问题，同时还能够提升内存分配的吞吐量，因此我们可以将这种内存分配方式称之为快速分配策略。
  • 所有OpenJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计。

为什么有 TLAB？

  • 堆区是线程共享区域，任何线程都可以访问到堆区中的共享数据
  • 由于对象实例的创建在JVM中非常频繁，因此在并发环境下从堆区中划分内存空间是线程不安全的
  • 为避免多个线程操作同一地址，需要使用加锁等机制，进而影响分配速度。

方法区

方法区在哪里？

  • 《Java虚拟机规范》中明确说明：尽管所有的方法区在逻辑上是属于堆的一部分，但一些简单的实现可能不会选择去进行垃圾收集或者进行压缩。但对于HotSpotJVM而言，方法区还有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的就是要和堆分开。

  • 所以，方法区可以看作是一块独立于Java堆的内存空间。

方法区的基本理解

  • 方法区主要存放的是 Class，而堆中主要存放的是实例化的对象
  • 方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域。多个线程同时加载统一个类时，只能有一个线程能加载该类，其他线程只能等等待该线程加载完毕，然后直接使用该类，即类只能加载一次。
  • 方法区在JVM启动的时候被创建，并且它的实际的物理内存空间中和Java堆区一样都可以是不连续的。
  • 方法区的大小，跟堆空间一样，可以选择固定大小或者可扩展。
  • 方法区的大小决定了系统可以保存多少个类，如果系统定义了太多的类，导致方法区溢出，虚拟机同样会抛出内存溢出错误：
    • 加载大量的第三方的jar包
    • Tomcat部署的工程过多（30~50个）
    • 大量动态的生成反射类
  • 方法区是一种规范，永久代和元空间是两种不同的实现方式
    • 元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代最大的区别在于：元空间不在虚拟机设置的内存中，而是使用本地内存。
    • 永久代、元空间二者并不只是名字变了，内部结构也调整了
  • 方法区的大小不必是固定的，JVM可以根据应用的需要动态调整。

直接内存概述

  • 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。
  • 直接内存是在Java堆外的、直接向系统申请的内存区间。
  • 来源于NIO，通过存在堆中的DirectByteBuffer操作Native内存
  • 通常，访问直接内存的速度会优于Java堆。即读写性能高。
  • 因此出于性能考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。
  • Java的NIO库允许Java程序使用直接内存，用于数据缓冲区

缺点：

  • 直接内存也可能导致OutofMemoryError异常

  • 由于直接内存在Java堆外，因此它的大小不会直接受限于-Xmx指定的最大堆大小，但是系统内存是有限的，Java堆和直接内存的总和依然受限于操作系统能给出的最大内存。

  • 直接内存的缺点为：

    • 分配回收成本较高
    • 不受JVM内存回收管理

  • 直接内存大小可以通过MaxDirectMemorySize设置

  • 如果不指定，默认与堆的最大值-Xmx参数值一致

栈、堆、方法区的交互关系

  • Person 类的 .class 信息存放在方法区中
  • person 变量存放在 Java 栈的局部变量表中
  • 真正的 person 对象存放在 Java 堆中
  • 在 person 对象中，有个指针指向方法区中的 person 类型数据，表明这个 person 对象是用方法区中的 Person 类 new 出来的

设置方法区的大小以及OOM

方法区的大小不必是固定的，JVM可以根据应用的需要动态调整。

  • JDK7及以前(永久代)
  1. 通过-XX:Permsize来设置永久代初始分配空间。默认值是20.75M
  2. -XX:MaxPermsize来设定永久代最大可分配空间。32位机器默认是64M，64位机器模式是82M
  3. 当JVM加载的类信息容量超过了这个值，会报异常OutofMemoryError:PermGen space。
  • JDK8及以后(元空间)
  1. 元数据区大小可以使用参数-XX:MetaspaceSize和 -XX:MaxMetaspaceSize 指定
  2. 默认值依赖于平台，Windows下，-XX:MetaspaceSize 约为21M，-XX:MaxMetaspaceSize的值是-1，即没有限制。
  3. 与永久代不同，如果不指定大小，默认情况下，虚拟机会耗尽所有的可用系统内存。如果元数据区发生溢出，虚拟机一样会抛出异常OutOfMemoryError:Metaspace
  4. -XX:MetaspaceSize：设置初始的元空间大小。
    • 对于一个 64位 的服务器端 JVM 来说，其默认的 -XX:MetaspaceSize值为21MB。这就是初始的高水位线
    • 一旦触及这个水位线，Full GC将会被触发并卸载没用的类（即这些类对应的类加载器不再存活），然后这个高水位线将会重置。
    • 新的高水位线的值取决于GC后释放了多少元空间。如果释放的空间不足，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。如果释放空间过多，则适当降低该值。
  5. 如果初始化的高水位线设置过低，上述高水位线调整情况会发生很多次。通过垃圾回收器的日志可以观察到Full GC多次调用。为了避免频繁地GC，建议将-XX:MetaspaceSize设置为一个相对较高的值。

OOM(Out of Memory)

  • 内存泄漏（Memory Leak）是指程序在申请内存后，无法释放已申请的内存空间。
  • 内存溢出（Memory Overflow）是指程序在申请内存时，没有足够的内存空间供其使用
    • 如果是内存泄漏，可进一步通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链。于是就能找到泄漏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。掌握了泄漏对象的类型信息，以及GC Roots引用链的信息，就可以比较准确地定位出泄漏代码的位置。
    • 如果不存在内存泄漏，换句话说就是内存中的对象确实都还必须存活着，那就应当检查虚拟机的堆参数（-Xmx与-Xms），与机器物理内存对比看是否还可以调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、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。

方法区的内部结构

方法区存储什么？

  • 《深入理解Java虚拟机》书中对方法区（Method Area）存储内容描述如下：它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等。
类型信息

对每个加载的类型（类class、接口interface、枚举enum、注解annotation），JVM必须在方法区中存储以下类型信息：

  • 这个类型的完整有效名称（全名=包名.类名）
  • 这个类型直接父类的完整有效名（对于interface或是java.lang.Object，都没有父类）
  • 这个类型的修饰符（public，abstract，final的某个子集）
  • 这个类型直接接口的一个有序列表
域信息

也就是我们常说的成员变量，域信息是比较官方的称呼

  • JVM必须在方法区中保存类型的所有域的相关信息以及域的声明顺序。

  • 域的相关信息包括：域名称，域类型，域修饰符（public，private，protected，static，final，volatile，transient的某个子集）

  • 类变量与全局常量

    • 类变量(static)
      • 静态变量和类关联在一起，随着类的加载而加载，他们成为类数据在逻辑上的一部分
      • 类变量被类的所有实例共享，即使没有类实例时，你也可以访问它
    • 全局常量(static final)
      • 被声明为final的类变量的处理方法则不同，每个全局常量在编译的时候就会被分配了。
      • 如果类常量在声明时显性的赋值才会在编译期赋值
      • 没有显性赋值需要在类静态代码块赋值，此时的类常量在类加载期确定！
方法信息

JVM必须保存所有方法的以下信息，同域信息一样包括声明顺序：

  • 方法名称
  • 方法的返回类型（包括 void 返回类型），void 在 Java 中对应的为 void.class
  • 方法参数的数量和类型（按顺序）
  • 方法的修饰符（public，private，protected，static，final，synchronized，native，abstract的一个子集）
  • 方法的字节码（bytecodes）、操作数栈、局部变量表及大小（abstract和native方法除外）
  • 异常表（abstract和native方法除外），异常表记录每个异常处理的开始位置、结束位置、代码处理在程序计数器中的偏移地址、被捕获的异常类的常量池索引
运行时常量池
  • 方法区，内部包含了运行时常量池
  • 字节码文件，内部包含了常量池。（之前的字节码文件中已经看到了很多Constant pool的东西，这个就是常量池）
  • 要弄清楚方法区的运行时常量池，需要理解清楚ClassFile中的常量池。
常量池

  • 一个有效的字节码文件中除了包含类的版本信息、字段、方法以及接口等描述符信息外。还包含一项信息就是常量池表（Constant Pool Table），包括各种字面量和对类型、域和方法的符号引用。

    • 字面量：

      1.手动声明一个对象的属性和方法，而不是通过构造函数，这样声明简单，但不能复用。
      2.表达的信息如字面所示，再通俗点就是表达的信息就是它自己。
      3.比如字符串字面量，使用一个双引号来创建字符串对象，而不需要完整的调用 new String() 语句。

为什么需要常量池？

  • 一个java源文件中的类、接口，编译后产生一个字节码文件。
  • 而Java中的字节码需要数据支持，通常这种数据会很大以至于不能直接存到字节码里
  • 换另一种方式，可以存到常量池。这个字节码包含了指向常量池的引用。在动态链接的时候会用到运行时常量池

比如：如下的代码：

1
2
3
4
5
public class Test {
    public void sayHello() {
        System.out.println("hello");
    }
}
  • 虽然上述代码只有很短，但是里面却使用了String、System、PrintStream及Object等结构。
  • 比如说我们这个文件中有6个地方用到了”hello”这个字符串，如果不用常量池，就需要在6个地方全写一遍，造成臃肿。我们可以将”hello”等所需用到的结构信息记录在常量池中，并通过引用的方式，来加载、调用所需的结构
  • 这里的代码量其实很少了，如果代码多的话，引用的结构将会更多，这里就需要用到常量池了。

常量池、可以看做是一张表，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、字面量等类型。

那么什么是运行时常量池呢？

  • 运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。

    • 常量池对应信息
    • 运行时常量池对应空间

  • 常量池表（Constant Pool Table）是Class字节码文件的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

  • 运行时常量池，在加载类和接口到虚拟机后，就会创建对应的运行时常量池。

  • JVM为每个已加载的类型（类或接口）都维护一个常量池。池中的数据项像数组项一样，是通过索引访问的。

  • 运行时常量池中包含多种不同的常量，包括编译期就已经明确的数值字面量，也包括到运行期解析后才能够获得的方法或者字段引用。此时不再是常量池中的符号地址了，这里换为真实地址。

  • 运行时常量池，相对于Class文件常量池的另一重要特征是：具备动态性。

    • 动态性是，运行时常量池可以在动态的往里面添加本来没有的信息
    • 而常量池，只能放代码中存在的信息，在编译期间，就确定了，不会再得到更改
    • 运行时常量池，则可以通过代码动态的往里面塞信息。

  • 运行时常量池类似于传统编程语言中的符号表（symbol table），但是它所包含的数据却比符号表要更加丰富一些。

  • 当创建类或接口的运行时常量池时，如果构造运行时常量池所需的内存空间超过了方法区所能提供的最大值，则JVM会抛OutofMemoryError异常。

方法区的垃圾回收

  • 《Java虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的，提到过可以不要求虚拟机在方法区中实现垃圾收集。事实上也确实有未实现或未能完整实现方法区类型卸载的收集器存在（如JDK11时期的ZGC收集器就不支持类卸载）。
  • 方法区的垃圾收集主要回收两部分内容：常量池中废弃的常量和不再使用的类型
    • HotSpot虚拟机对常量池的回收策略是很明确的，只要常量池中的常量没有被任何地方引用，就可以被回收。
    • 而要判定一个类型是否属于“不再被使用的类”的条件就比较苛刻了。需要同时满足下面三个条件：
      • 该类所有的实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类及其任何派生子类的实例。
      • 加载该类的类加载器已经被回收，这个条件除非是经过精心设计的可替换类加载器的场景，如OSGi、JSP的重加载等，否则通常是很难达成的。
      • 该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

对象的实例化详解

对象创建的方式

  1. new：最常见的方式、单例类中调用getInstance的静态类方法，XXXFactory的静态方法
  2. Class的newInstance方法：在JDK9里面被标记为过时的方法，因为只能调用空参构造器，并且权限必须为 public
  3. Constructor的newInstance(Xxxx)：反射的方式，可以调用空参的，或者带参的构造器
  4. 使用clone()：不调用任何的构造器，要求当前的类需要实现Cloneable接口中的clone方法
  5. 使用序列化：从文件中，从网络中获取一个对象的二进制流，序列化一般用于Socket的网络传输
  6. 第三方库 Objenesis

对象创建的步骤

1、判断对象对应的类是否加载、链接、初始化

  1. 虚拟机遇到一条new指令，首先去检查这个指令的参数能否在Metaspace的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经被加载，解析和初始化。（即判断类元信息是否存在）。
  2. 如果该类没有加载，那么在双亲委派模式下，使用当前类加载器以ClassLoader + 包名 + 类名为key进行查找对应的.class文件，如果没有找到文件，则抛出ClassNotFoundException异常，如果找到，则进行类加载，并生成对应的Class对象。

2、为对象分配内存

  1. 首先计算对象占用空间的大小，接着在堆中划分一块内存给新对象。如果实例成员变量是引用变量，仅分配引用变量空间即可，即4个字节大小
  2. 如果内存规整：采用指针碰撞分配内存
    • 如果内存是规整的，那么虚拟机将采用的是指针碰撞法（Bump The Point）来为对象分配内存。
    • 意思是所有用过的内存在一边，空闲的内存放另外一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针往空闲内存那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。
    • 如果垃圾收集器选择的是Serial ，ParNew这种基于压缩算法的，虚拟机采用这种分配方式。一般使用带Compact（整理）过程的收集器时，使用指针碰撞。
    • 标记压缩（整理）算法会整理内存碎片，堆内存一存对象，另一边为空闲区域
  3. 如果内存不规整
    • 如果内存不是规整的，已使用的内存和未使用的内存相互交错，那么虚拟机将采用的是空闲列表来为对象分配内存。
    • 意思是虚拟机维护了一个列表，记录上哪些内存块是可用的，再分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的内容。这种分配方式成为了 “空闲列表（Free List）”
    • 选择哪种分配方式由Java堆是否规整所决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定
    • 标记清除算法清理过后的堆内存，就会存在很多内存碎片。

3、处理并发问题

  1. 采用CAS+失败重试保证更新的原子性
  2. 每个线程预先分配TLAB - 通过设置 -XX:+UseTLAB参数来设置（区域加锁机制）
  3. 在Eden区给每个线程分配一块区域

4、初始化分配到的空间

  • 所有属性设置默认值，保证对象实例字段在不赋值可以直接使用
  • 给对象属性赋值的顺序：
  1. 属性的默认值初始化
  2. 显示初始化/代码块初始化（并列关系，谁先谁后看代码编写的顺序）
  3. 构造器初始化

5、设置对象的对象头

将对象的所属类（即类的元数据信息）、对象的HashCode和对象的GC信息、锁信息等数据存储在对象的对象头中。这个过程的具体设置方式取决于JVM实现。

6、执行init方法进行初始化

  1. 在Java程序的视角看来，初始化才正式开始。初始化成员变量，执行实例化代码块，调用类的构造方法，并把堆内对象的首地址赋值给引用变量
  2. 因此一般来说（由字节码中跟随invokespecial指令所决定），new指令之后会接着就是执行init方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完成创建出来。

对象的内存布局

小结：

对象的访问定位

直接指针(HotSpot)

🌗执行引擎

执行引擎概述

  • 执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分之一。
  • “虚拟机”是一个相对于“物理机”的概念，这两种机器都有代码执行能力，其区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、缓存、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由软件自行实现的，因此可以不受物理条件制约地定制指令集与执行引擎的结构体系，能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。
  • JVM的主要任务是负责装载字节码到其内部，但字节码并不能够直接运行在操作系统之上，因为字节码指令并非等价于本地机器指令，它内部包含的仅仅只是一些能够被JVM所识别的字节码指令、符号表，以及其他辅助信息。
  • 那么，如果想要让一个Java程序运行起来，执行引擎（Execution Engine）的任务就是将字节码指令解释/编译为对应平台上的本地机器指令才可以。简单来说，JVM中的执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的译者。

执行过程

  1. 执行引擎在执行的过程中究竟需要执行什么样的字节码指令完全依赖于PC寄存器。
  2. 每当执行完一项指令操作后，PC寄存器就会更新下一条需要被执行的指令地址。
  3. 当然方法在执行的过程中，执行引擎有可能会通过存储在局部变量表中的对象引用准确定位到存储在Java堆区中的对象实例信息，以及通过对象头中的元数据指针定位到目标对象的类型信息。
  4. 从外观上来看，所有的Java虚拟机的执行引擎输入、处理、输出都是一致的：输入的是字节码二进制流，处理过程是字节码解析执行、即时编译的等效过程，输出的是执行过程。

什么是解释器？什么是JIT编译器？

  • 解释器：当Java虚拟机启动时会根据预定义的规范对字节码采用逐行解释的方式执行，将每条字节码文件中的内容“翻译”为对应平台的本地机器指令执行。

    • JVM设计者们的初衷仅仅只是单纯地为了满足Java程序实现跨平台特性，因此避免采用静态编译的方式由高级语言直接生成本地机器指令，从而诞生了实现解释器在运行时采用逐行解释字节码执行程序的想法（也就是产生了一个中间产品字节码）。
    • 解释器真正意义上所承担的角色就是一个运行时“翻译者”，将字节码文件中的内容“翻译”为对应平台的本地机器指令执行。
    • 当一条字节码指令被解释执行完成后，接着再根据PC寄存器中记录的下一条需要被执行的字节码指令执行解释操作。

  • JIT（Just In Time Compiler）编译器：就是虚拟机将源代码一次性直接编译成和本地机器平台相关的机器语言，但并不是马上执行。

  • 为何还要有解释器？

    • 当程序启动后，解释器可以马上发挥作用，响应速度快，省去编译的时间，立即执行。

    • 编译器要想发挥作用，把代码编译成本地代码，需要一定的执行时间，但编译为本地代码后，执行效率高。

热点代码及探测方式

  • 是否需要启动JIT编译器将字节码直接编译为对应平台的本地机器指令，则需要根据代码被调用执行的频率而定。
  • 一个被多次调用的方法，或者是一个方法体内部循环次数较多的循环体都可以被称之为“热点代码”，因此都可以通过JIT编译器编译为本地机器指令。由于这种编译方式发生在方法的执行过程中，因此也被称之为栈上替换，或简称为OSR (On StackReplacement)编译。
  • 目前HotSpot VM所采用的热点探测方式是基于计数器的热点探测。
  • 采用基于计数器的热点探测，HotSpot VM将会为每一个方法都建立2个不同类型的计数器，分别为方法调用计数器（Invocation Counter）和回边计数器（Back Edge Counter）。
    • 方法调用计数器用于统计方法的调用次数
    • 回边计数器则用于统计循环体执行的循环次数

热度衰减

  • 如果让方法计数器统计方法调用的绝对次数，这样的话，只要系统运行时间足够长，绝大部分方法都会被编译成本地代码。

  • 然而如果不做任何设置，方法调用计数器统计的并不是方法被调用的绝对次数，而是一个相对的执行频率，即一段时间之内方法被调用的次数。当超过一定的时间限度，如果方法的调用次数仍然不足以让它提交给即时编译器编译，那这个方法的调用计数器就会被减少一半，这个过程称为方法调用计数器热度的衰减（Counter Decay），而这段时间就称为此方法统计的半衰周期（Counter Half Life Time）

  • 进行热度衰减的动作是在虚拟机进行垃圾收集时顺便进行的，可以使用虚拟机参数 -XX:-UseCounterDecay 来关闭热度衰减，

  • 另外，可以使用-XX:CounterHalfLifeTime参数设置半衰周期的时间，单位是秒。

🌕️垃圾回收

什么是垃圾？

  • 垃圾是指在运行程序中没有任何指针指向的对象，这个对象就是需要被回收的垃圾。

为什么需要GC？

  • 对于高级语言来说，一个基本认知是如果不进行垃圾回收，内存迟早都会被消耗完，因为不断地分配内存空间而不进行回收，就好像不停地生产生活垃圾而从来不打扫一样。
  • 除了释放没用的对象，垃圾回收也可以清除内存里的记录碎片。碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端，以便JVM将整理出的内存分配给新的对象。
  • 随着应用程序所应付的业务越来越庞大、复杂，用户越来越多，没有GC就不能保证应用程序的正常进行。而经常造成STW的GC又跟不上实际的需求，所以才会不断地尝试对GC进行优化。

在早期的C/C++时代，垃圾回收基本上是手工进行的。开发人员可以使用new关键字进行内存申请，并使用delete字进行内存释放

  • 这种方式可以灵活控制内存释放的时间，但是会给开发人员带来频繁申请和释放内存的管理负担。倘若有一处内存区间由于程序员编码的问题忘记被回收，那么就会产生内存泄漏，垃圾对象永远无法被清除，随着系统运行时间的不断增长，垃圾对象所耗内存可能持续上升，直到出现内存溢出并造成应用程序崩溃。

现在，除了Java以外，C#、Python、Ruby等语言都使用了自动垃圾回收的思想，也是未来发展趋势，可以说这种自动化的内存分配和来及回收方式已经成为了现代开发语言必备的标准。

Java的垃圾回收机制

  • 自动内存管理的优点
    • 自动内存管理，无需开发人员手动参与内存的分配与回收，这样降低内存泄漏和内存溢出的风险
    • 没有垃圾回收器，java也会和cpp一样，各种悬垂指针，野指针，泄露问题让你头疼不已。
    • 自动内存管理机制，将程序员从繁重的内存管理中释放出来，可以更专心地专注于业务开发
  • 自动内存管理的担忧
    • 对于Java开发人员而言，自动内存管理就像是一个黑匣子，如果过度依赖于“自动”，那么这将会是一场灾难，最严重的就会弱化Java开发人员在程序出现内存溢出时定位问题和解决问题的能力。
    • 此时，了解JVM的自动内存分配和内存回收原理就显得非常重要，只有在真正了解JVM是如何管理内存后，我们才能够在遇见OutofMemoryError时，快速地根据错误异常日志定位问题和解决问题。
    • 当需要排查各种内存溢出、内存泄漏问题时，当垃圾收集成为系统达到更高并发量的瓶颈时，我们就必须对这些“自动化”的技术实施必要的监控和调节。
  • GC的区域
    • 垃圾收集器可以对年轻代回收，也可以对老年代回收，甚至是全栈和方法区的回收，
    • 其中，Java堆是垃圾收集器的工作重点
    • 从次数上讲：
      1. 频繁收集Young区
      2. 较少收集Old区
      3. 基本不收集Perm区（元空间）

垃圾回收相关算法

垃圾标记阶段算法

  • 垃圾标记阶段：主要是为了判断对象是否存活
    • 在堆里存放着几乎所有的Java对象实例，在GC执行垃圾回收之前，首先需要区分出内存中哪些是存活对象，哪些是已经死亡的对象。只有被标记为己经死亡的对象，GC才会在执行垃圾回收时，释放掉其所占用的内存空间，因此这个过程我们可以称为垃圾标记阶段。
    • 那么在JVM中究竟是如何标记一个死亡对象呢？简单来说，当一个对象已经不再被任何的存活对象继续引用时，就可以宣判为已经死亡。
    • 判断对象存活一般有两种方式：引用计数算法和可达性分析算法。
⚠️引用计数算法
  • 引用计数算法（Reference Counting）比较简单，对每个对象保存一个整型的引用计数器属性。用于记录对象被引用的情况。
  • 对于一个对象A，只要有任何一个对象引用了A，则A的引用计数器就加1；当引用失效时，引用计数器就减1。只要对象A的引用计数器的值为0，即表示对象A不可能再被使用，可进行回收。
  • 优点：实现简单，垃圾对象便于辨识；判定效率高，回收没有延迟性。
  • 缺点：
    • 它需要单独的字段存储计数器，这样的做法增加了存储空间的开销。
    • 每次赋值都需要更新计数器，伴随着加法和减法操作，这增加了时间开销
    • 引用计数器有一个严重的问题，即无法处理循环引用的情况。
    • 这是一条致命缺陷，导致在Java的垃圾回收器中没有使用这类算法。

✔️可到达性分析算法

可达性分析算法：也可以称为根搜索算法、追踪性垃圾收集

  • 相对于引用计数算法而言，可达性分析算法不仅同样具备实现简单和执行高效等特点，更重要的是该算法可以有效地解决在引用计数算法中循环引用的问题，防止内存泄漏的发生。

  • 相较于引用计数算法，这里的可达性分析就是Java、C#选择的。这种类型的垃圾收集通常也叫作追踪性垃圾收集（Tracing Garbage Collection）

  • 实现思路

    • 所谓”GCRoots”根集合就是一组必须活跃的引用
    • 其基本思路如下：
      • 可达性分析算法是以根对象集合（GCRoots）为起始点，按照从上至下的方式搜索被根对象集合所连接的目标对象是否可达。
      • 使用可达性分析算法后，内存中的存活对象都会被根对象集合直接或间接连接着，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain）
      • 如果目标对象没有任何引用链相连，则是不可达的，就意味着该对象己经死亡，可以标记为垃圾对象。
      • 在可达性分析算法中，只有能够被根对象集合直接或者间接连接的对象才是存活对象。

GC Roots可以是哪些元素？

  1. 虚拟机栈中引用的对象
    • 比如：各个线程被调用的方法中使用到的参数、局部变量等。
  2. 本地方法栈内JNI（通常说的本地方法）引用的对象
  3. 方法区中类静态属性引用的对象
    • 比如：Java类的引用类型静态变量
  4. 方法区中常量引用的对象
    • 比如：字符串常量池（StringTable）里的引用
📖对象的 finalization 机制

对象销毁前的回调函数：finalize()

  • Java语言提供了对象终止（finalization）机制来允许开发人员提供对象被销毁之前的自定义处理逻辑。
  • 当垃圾回收器发现没有引用指向一个对象，即：垃圾回收此对象之前，总会先调用这个对象的finalize()方法。
  • finalize() 方法允许在子类中被重写，用于在对象被回收时进行资源释放。通常在这个方法中进行一些资源释放和清理的工作，比如关闭文件、套接字和数据库连接等。

从功能上来说，finalize()方法与C++中的析构函数比较相似，但是Java采用的是基于垃圾回收器的自动内存管理机制，所以finalize()方法在本质上不同于C++中的析构函数。

由于finalize()方法的存在，虚拟机中的对象一般处于三种可能的状态。

如果从所有的根节点都无法访问到某个对象，说明对象己经不再使用了。一般来说，此对象需要被回收。但事实上，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段。一个无法触及的对象有可能在某一个条件下“复活”自己，如果这样，那么对它立即进行回收就是不合理的。为此，定义虚拟机中的对象可能的三种状态。如下：

  • 可触及的：从根节点开始，可以到达这个对象。

  • 可复活的：对象的所有引用都被释放，但是对象有可能在finalize()中复活。

  • 不可触及的：对象的finalize()被调用，并且没有复活，那么就会进入不可触及状态。不可触及的对象不可能被复活，因为finalize()只会被调用一次。

  • 具体过程：

    • 判定一个对象objA是否可回收，至少要经历两次标记过程：
      1. 如果对象objA到GC Roots没有引用链，则进行第一次标记。
      2. 进行筛选，判断此对象是否有必要执行finalize()方法
        1. 如果对象objA没有重写finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，则虚拟机视为“没有必要执行”，objA被判定为不可触及的。
        2. 如果对象objA重写了finalize()方法，且还未执行过，那么objA会被插入到F-Queue队列中，由一个虚拟机自动创建的、低优先级的Finalizer线程触发其finalize()方法执行。
        3. finalize()方法是对象逃脱死亡的最后机会，稍后GC会对F-Queue队列中的对象进行第二次标记。如果objA在finalize()方法中与引用链上的任何一个对象建立了联系，那么在第二次标记时，objA会被移出“即将回收”集合。之后，对象会再次出现没有引用存在的情况。在这个情况下，finalize()方法不会被再次调用，对象会直接变成不可触及的状态，也就是说，一个对象的finalize()方法只会被调用一次。

垃圾清除阶段算法

当成功区分出内存中存活对象和死亡对象后，GC接下来的任务就是执行垃圾回收，释放掉无用对象所占用的内存空间，以便有足够的可用内存空间为新对象分配内存。

何为清除？

  • 这里所谓的清除并不是真的置空，而是把需要清除的对象地址保存在空闲的地址列表里。下次有新对象需要加载时，判断垃圾的位置空间是否够，如果够，就存放（也就是覆盖原有的地址）。
标记-清除算法

  • 当堆中的有效内存空间（available memory）被耗尽的时候，就会停止整个程序（也被称为stop the world），然后进行两项工作，第一项则是标记，第二项则是清除

    • 标记：Collector从引用根节点开始遍历，标记所有被引用的对象。一般是在对象的Header中记录为可达对象。

      • 注意：标记的是被引用的对象，也就是可达对象，并非标记的是即将被清除的垃圾对象

    • 清除：Collector对堆内存从头到尾进行线性的遍历，如果发现某个对象在其Header中没有标记为可达对象，则将其回收

  • 缺点：

    • 标记清除算法的效率不算高
    • 在进行GC的时候，需要停止整个应用程序，用户体验较差
    • 这种方式清理出来的空闲内存是不连续的，产生内碎片，需要维护一个空闲列表
复制算法

为了解决标记-清除算法在垃圾收集效率方面的缺陷，M.L.Minsky于1963年发表了著名的论文，“使用双存储区的Lisp语言垃圾收集器CA LISP Garbage Collector Algorithm Using Serial Secondary Storage）”。M.L.Minsky在该论文中描述的算法被人们称为复制算法。

核心思想

  • 将可用的内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时将正在使用的内存中的存活对象复制到未被使用的内存块中，之后清除正在使用的内存块中的所有对象，交换两个内存的角色，最后完成垃圾回收

优点

  1. 没有标记和清除过程，实现简单，运行高效
  2. 复制过去以后保证空间的连续性，不会出现“碎片”问题。

缺点

  1. 此算法的缺点也是很明显的，就是需要两倍的内存空间。
  2. 对于G1这种分拆成为大量region的GC，复制而不是移动，意味着GC需要维护region之间对象引用关系，不管是内存占用或者时间开销也不小

复制算法的应用场景

  1. 如果系统中的垃圾对象很多，复制算法需要复制的存活对象数量并不会太大，效率较高
  2. 老年代大量的对象存活，那么复制的对象将会有很多，效率会很低
  3. 在新生代，对常规应用的垃圾回收，一次通常可以回收70% - 99% 的内存空间。回收性价比很高。所以现在的商业虚拟机都是用这种收集算法回收新生代。
标记-压缩算法
  1. 复制算法的高效性是建立在存活对象少、垃圾对象多的前提下的。这种情况在新生代经常发生，但是在老年代，更常见的情况是大部分对象都是存活对象。如果依然使用复制算法，由于存活对象较多，复制的成本也将很高。因此，基于老年代垃圾回收的特性，需要使用其他的算法。
  2. 标记-清除算法的确可以应用在老年代中，但是该算法不仅执行效率低下，而且在执行完内存回收后还会产生内存碎片，所以JVM的设计者需要在此基础之上进行改进。标记-压缩（Mark-Compact）算法由此诞生。
  3. 1970年前后，G.L.Steele、C.J.Chene和D.s.Wise等研究者发布标记-压缩算法。在许多现代的垃圾收集器中，人们都使用了标记-压缩算法或其改进版本。
  • 执行过程
  1. 第一阶段和标记清除算法一样，从根节点开始标记所有被引用对象
  2. 第二阶段将所有的存活对象压缩到内存的一端，按顺序排放。之后，清理边界外所有的空间。

优点

  1. 消除了标记-清除算法当中，内存区域分散的缺点，我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可。
  2. 消除了复制算法当中，内存减半的高额代价。

缺点

  1. 从效率上来说，标记-整理算法要低于复制算法。
  2. 移动对象的同时，如果对象被其他对象引用，则还需要调整引用的地址（因为HotSpot虚拟机采用的不是句柄池的方式，而是直接指针）
  3. 移动过程中，需要全程暂停用户应用程序。即：STW
小结
标记清除 标记整理 复制算法
速率 中等 最慢 最快
空间开销 少（但会堆积碎片） 少（不堆积碎片） 通常需要活对象的2倍空间（不堆积碎片）
移动对象 否 是 是

分代收集算法👐

Q：难道就没有一种最优的算法吗？

A：无，没有最好的算法，只有最合适的算法

为什么要使用分代收集算法

  1. 前面所有这些算法中，并没有一种算法可以完全替代其他算法，它们都具有自己独特的优势和特点。分代收集算法应运而生。
  2. 分代收集算法，是基于这样一个事实：不同的对象的生命周期是不一样的。因此，不同生命周期的对象可以采取不同的收集方式，以便提高回收效率。一般是把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点使用不同的回收算法，以提高垃圾回收的效率。
  3. 在Java程序运行的过程中，会产生大量的对象，其中有些对象是与业务信息相关:
    • 比如Http请求中的Session对象、线程、Socket连接，这类对象跟业务直接挂钩，因此生命周期比较长。
    • 但是还有一些对象，主要是程序运行过程中生成的临时变量，这些对象生命周期会比较短，比如：String对象，由于其不变类的特性，系统会产生大量的这些对象，有些对象甚至只用一次即可回收。

目前几乎所有的GC都采用分代收集算法执行垃圾回收的

在HotSpot中，基于分代的概念，GC所使用的内存回收算法必须结合年轻代和老年代各自的特点。

  • 年轻代（Young Gen）

    • 年轻代特点：区域相对老年代较小，对象生命周期短、存活率低，回收频繁。
    • 这种情况复制算法的回收整理，速度是最快的。复制算法的效率只和当前存活对象大小有关，因此很适用于年轻代的回收。而复制算法内存利用率不高的问题，通过hotspot中的两个survivor的设计得到缓解。

  • 老年代（Tenured Gen）

    • 老年代特点：区域较大，对象生命周期长、存活率高，回收不及年轻代频繁。

  • 这种情况存在大量存活率高的对象，复制算法明显变得不合适。一般是由标记-清除或者是标记-清除与标记-整理的混合实现。

    • Mark阶段的开销与存活对象的数量成正比。
    • Sweep阶段的开销与所管理区域的大小成正相关。
    • Compact阶段的开销与存活对象的数据成正比。
  1. 以HotSpot中的CMS回收器为例，CMS是基于Mark-Sweep实现的，对于对象的回收效率很高。对于碎片问题，CMS采用基于Mark-Compact算法的Serial Old回收器作为补偿措施：当内存回收不佳（碎片导致的Concurrent Mode Failure时），将采用Serial Old执行Full GC以达到对老年代内存的整理。
  2. 分代的思想被现有的虚拟机广泛使用。几乎所有的垃圾回收器都区分新生代和老年代

增量收集算法和分区算法

上述现有的算法，在垃圾回收过程中，应用软件将处于一种Stop the World的状态。在Stop the World状态下，应用程序所有的线程都会挂起，暂停一切正常的工作，等待垃圾回收的完成。如果垃圾回收时间过长，应用程序会被挂起很久，将严重影响用户体验或者系统的稳定性。为了解决这个问题，即对实时垃圾收集算法的研究直接导致了增量收集（Incremental Collecting）算法的诞生。

增量收集算法

  1. 如果一次性将所有的垃圾进行处理，需要造成系统长时间的停顿，那么就可以让垃圾收集线程和应用程序线程交替执行。每次垃圾收集线程只收集一小片区域的内存空间，接着切换到应用程序线程。依次反复，直到垃圾收集完成。
  2. 总的来说，增量收集算法的基础仍是传统的标记-清除和复制算法。增量收集算法通过对线程间冲突的妥善处理，允许垃圾收集线程以分阶段的方式完成标记、清理或复制工作

增量收集算法的缺点

使用这种方式，由于在垃圾回收过程中，间断性地还执行了应用程序代码，所以能减少系统的停顿时间。但是，因为线程切换和上下文转换的消耗，会使得垃圾回收的总体成本上升，造成系统吞吐量的下降。

分区算法

主要针对G1收集器来说的

  1. 一般来说，在相同条件下，堆空间越大，一次GC时所需要的时间就越长，有关GC产生的停顿也越长。为了更好地控制GC产生的停顿时间，将一块大的内存区域分割成多个小块，根据目标的停顿时间，每次合理地回收若干个小区间，而不是整个堆空间，从而减少一次GC所产生的停顿。

    • 分代算法将按照对象的生命周期长短划分成两个部分，
  • 分区算法将整个堆空间划分成连续的不同小区间。每一个小区间都独立使用，独立回收。这种算法的好处是可以控制一次回收多少个小区间。

垃圾回收器

GC 分类与性能指标

垃圾回收器概述

  • 垃圾收集器没有在规范中进行过多的规定，可以由不同的厂商、不同版本的JVM来实现。

  • 由于JDK的版本处于高速迭代过程中，因此Java发展至今已经衍生了众多的GC版本。

  • 从不同角度分析垃圾收集器，可以将GC分为不同的类型。

垃圾回收器分类

按线程数分（垃圾回收线程数），可以分为串行垃圾回收器和并行垃圾回收器。

  • 串行回收指的是在同一时间段内只允许有一个CPU用于执行垃圾回收操作，此时工作线程被暂停，直至垃圾收集工作结束。
  • 和串行回收相反，并行收集可以运用多个CPU同时执行垃圾回收，因此提升了应用的吞吐量，不过并行回收仍然与串行回收一样，采用独占式，使用了“Stop-the-World”机制。

按照工作模式分，可以分为并发式垃圾回收器和独占式垃圾回收器。

  • 并发式垃圾回收器与应用程序线程交替工作，以尽可能减少应用程序的停顿时间。
  • 独占式垃圾回收器（Stop the World）一旦运行，就停止应用程序中的所有用户线程，直到垃圾回收过程完全结束。

按碎片处理方式分，可分为压缩式垃圾回收器和非压缩式垃圾回收器。

  • 压缩式垃圾回收器会在回收完成后，对存活对象进行压缩整理，消除回收后的碎片。再分配对象空间使用指针碰撞
  • 非压缩式的垃圾回收器不进行这步操作，分配对象空间使用空闲列表

按工作的内存区间分，又可分为年轻代垃圾回收器和老年代垃圾回收器。

评估 GC 的性能指标
  • 吞吐量：运行用户代码的时间占总运行时间的比例（总运行时间 = 程序的运行时间 + 内存回收的时间）
  • 垃圾收集开销：吞吐量的补数，垃圾收集所用时间与总运行时间的比例。
  • 暂停时间：执行垃圾收集时，程序的工作线程被暂停的时间。
  • 收集频率：相对于应用程序的执行，收集操作发生的频率。
  • 内存占用：Java堆区所占的内存大小。
  • 快速：一个对象从诞生到被回收所经历的时间。
    • 吞吐量、暂停时间、内存占用这三者共同构成一个“不可能三角”。三者总体的表现会随着技术进步而越来越好。一款优秀的收集器通常最多同时满足其中的两项。
    • 这三项里，暂停时间的重要性日益凸显。因为随着硬件发展，内存占用多些越来越能容忍，硬件性能的提升也有助于降低收集器运行时对应用程序的影响，即提高了吞吐量。而内存的扩大，对延迟反而带来负面效果。

现在标准：在最大吞吐量优先的情况下，降低停顿时间

Serial 回收器：串行回收

  • Serial收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。JDK1.3之前回收新生代唯一的选择。
  • Serial收集器采用复制算法、串行回收和”Stop-the-World”机制的方式执行内存回收。
  • 除了年轻代之外，Serial收集器还提供用于执行老年代垃圾收集的Serial Old收集器。Serial old收集器同样也采用了串行回收和”Stop the World”机制，只不过内存回收算法使用的是标记-压缩算法。

这个收集器是一个单线程的收集器，“单线程”的意义：它只会使用一个CPU（串行）或一条收集线程去完成垃圾收集工作。更重要的是在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束（Stop The World）

  • 优势：简单而高效（与其他收集器的单线程比），对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。

    这种垃圾收集器大家了解，现在已经不用串行的了。而且在限定单核CPU才可以用。现在都不是单核的了。

    对于交互较强的应用而言，这种垃圾收集器是不能接受的。一般在Java Web应用程序中是不会采用串行垃圾收集器的

ParNew 回收器：并行回收

  • 如果说Serial GC是年轻代中的单线程垃圾收集器，那么ParNew收集器则是Serial收集器的多线程版本。
    • Par是Parallel的缩写，New：只能处理新生代
    • 对于新生代，回收次数频繁，使用并行方式高效。
    • 对于老年代，回收次数少，使用串行方式节省资源。（CPU并行需要切换线程，串行可以省去切换线程的资源）
  • ParNew 收集器除了采用并行回收的方式执行内存回收外，两款垃圾收集器之间几乎没有任何区别。ParNew收集器在年轻代中同样也是采用复制算法、”Stop-the-World”机制。
  • ParNew 是很多JVM运行在Server模式下新生代的默认垃圾收集器。

Parallel 回收器：吞吐量优先

  • HotSpot的年轻代中除了拥有ParNew收集器是基于并行回收的以外，Parallel Scavenge收集器同样也采用了复制算法、并行回收和”Stop the World”机制。
    • 和ParNew收集器不同，Parallel Scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量（Throughput），它也被称为吞吐量优先的垃圾收集器。
    • 自适应调节策略也是Parallel Scavenge与ParNew一个重要区别。（动态调整内存分配情况，以达到一个最优的吞吐量或低延迟）
  • 高吞吐量则可以高效率地利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。
    • 因此，常见在服务器环境中使用。例如，那些执行批量处理、订单处理、工资支付、科学计算的应用程序。
  • Parallel收集器在JDK1.6时提供了用于执行老年代垃圾收集的Parallel Old收集器，用来代替老年代的Serial Old收集器。
  • Parallel Old收集器采用了标记-压缩算法，但同样也是基于并行回收和”Stop-the-World”机制。

在Java8中，默认是此垃圾收集器。

CMS 回收器：低延迟

  • 在JDK1.5时期，Hotspot推出了一款在强交互应用中（就是和用户打交道的引用）几乎可认为有划时代意义的垃圾收集器：CMS（Concurrent-Mark-Sweep）收集器，这款收集器是HotSpot虚拟机中第一款真正意义上的并发收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程同时工作。
  • CMS收集器的关注点是尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间。停顿时间越短（低延迟）就越适合与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户体验。
    • 目前很大一部分的Java应用集中在互联网站或者B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验。CMS收集器就非常符合这类应用的需求。
  • CMS的垃圾收集算法采用标记-清除算法，并且也会”Stop-the-World”
  • 不幸的是，CMS作为老年代的收集器，却无法与JDK1.4.0中已经存在的新生代收集器Parallel Scavenge配合工作（因为实现的框架不一样，没办法兼容使用），所以在JDK1.5中使用CMS来收集老年代的时候，新生代只能选择ParNew或者Serial收集器中的一个。
  • 在G1出现之前，CMS使用还是非常广泛的。一直到今天，仍然有很多系统使用CMS GC。
CMS 工作原理（过程）

  1. 初始标记（Initial-Mark）阶段：在这个阶段中，程序中所有的工作线程都将会因为“Stop-the-World”机制而出现短暂的暂停，这个阶段的主要任务仅仅只是标记出GC Roots能直接关联到的对象。一旦标记完成之后就会恢复之前被暂停的所有应用线程。由于直接关联对象比较小，所以这里的速度非常快。
  2. 并发标记（Concurrent-Mark）阶段：从GC Roots的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程，这个过程耗时较长但是不需要停顿用户线程，可以与垃圾收集线程一起并发运行。
  3. 重新标记（Remark）阶段：由于在并发标记阶段中，程序的工作线程会和垃圾收集线程同时运行或者交叉运行，因此为了修正并发标记期间，因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，这个阶段的停顿时间通常会比初始标记阶段稍长一些，并且也会导致“Stop-the-World”的发生，但也远比并发标记阶段的时间短。
  4. 并发清除（Concurrent-Sweep）阶段：此阶段清理删除掉标记阶段判断的已经死亡的对象，释放内存空间。由于不需要移动存活对象，所以这个阶段也是可以与用户线程同时并发的
  • 优点
    • 并发收集
    • 低延迟
  • 缺点
    • 会产生内存碎片，导致并发清除后，用户线程可用的空间不足。在无法分配大对象的情况下，不得不提前触发Full GC。
    • CMS收集器对CPU资源非常敏感。在并发阶段，它虽然不会导致用户停顿，但是会因为占用了一部分线程而导致应用程序变慢，总吞吐量会降低。
    • CMS收集器无法处理浮动垃圾。可能出现“Concurrent Mode Failure”失败而导致另一次Full GC的产生。在并发标记阶段由于程序的工作线程和垃圾收集线程是同时运行或者交叉运行的，那么在并发标记阶段如果产生新的垃圾对象，CMS将无法对这些垃圾对象进行标记，最终会导致这些新产生的垃圾对象没有被及时回收，从而只能在下一次执行GC时释放这些之前未被回收的内存空间。

HotSpot有这么多的垃圾回收器，那么如果有人问，Serial GC、Parallel GC、Concurrent Mark Sweep GC这三个GC有什么不同呢？

如果你想要最小化地使用内存和并行开销，请选Serial GC。

如果你想要最大化应用程序的吞吐量，请选Parallel GC。

如果你想要最小化GC的中断或停顿时间，请选CMS GC。

G1 回收器：区域化分代式

为什么还需要G1?

既然我们已经有了前面几个强大的 GC ，为什么还要发布 Garbage First（G1）GC？

  • 原因就在于应用程序所应对的业务越来越庞大、复杂，用户越来越多，没有GC就不能保证应用程序正常进行，而经常造成STW的GC又跟不上实际的需求，所以才会不断地尝试对GC进行优化。
  • G1（Garbage-First）垃圾回收器是在Java7 update4之后引入的一个新的垃圾回收器，是当今收集器技术发展的最前沿成果之一。
  • 与此同时，为了适应现在不断扩大的内存和不断增加的处理器数量，进一步降低暂停时间（pause time），同时兼顾良好的吞吐量。
  • 官方给G1设定的目标是在延迟可控的情况下获得尽可能高的吞吐量，所以才担当起“全功能收集器”的重任与期望。
为什么名字叫Garbage First(G1)呢？
  • 因为G1是一个并行回收器，它把堆内存分割为很多不相关的区域（Region）（物理上不连续的）。使用不同的Region来表示Eden、幸存者0区，幸存者1区，老年代等。
  • G1 GC有计划地避免在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region。
  • 由于这种方式的侧重点在于回收垃圾最大量的区间（Region），所以我们给G1一个名字：垃圾优先（Garbage First）。
  • 在JDK1.7版本正式启用,是JDK9以后的默认垃圾回收器，取代了CMS回收器以及Parallel+Parallel Old组合。被Oracle官方称为“全功能的垃圾收集器”。
  • 与此同时，CMS已经在JDK9中被标记为废弃（deprecated）。G1在JDK8中还不是默认的垃圾回收器，需要使用-XX:+UseG1GC来启用。
G1 回收器的优势
  • 并行与并发兼备
    • 并行性：G1在回收期间，可以有多个GC线程同时工作，有效利用多核计算能力。此时用户线程STW
    • 并发性：G1拥有与应用程序交替执行的能力，部分工作可以和应用程序同时执行，因此，一般来说，不会在整个回收阶段发生完全阻塞应用程序的情况
  • 分代收集
    • 从分代上看，G1依然属于分代型垃圾回收器，它会区分年轻代和老年代，年轻代依然有Eden区和Survivor区。但从堆的结构上看，它不要求整个Eden区、年轻代或者老年代都是连续的，也不再坚持固定大小和固定数量。
    • 将堆空间分为若干个区域（Region），这些区域中包含了逻辑上的年轻代和老年代。
    • 和之前的各类回收器不同，它同时兼顾年轻代和老年代。

G1分代：

空间整合

  • CMS：“标记-清除”算法、内存碎片、若干次GC后进行一次碎片整理
  • G1将内存划分为一个个的region。内存的回收是以region作为基本单位的。Region之间是复制算法，但整体上实际可看作是标记-压缩（Mark-Compact）算法，两种算法都可以避免内存碎片。这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。尤其是当Java堆非常大的时候，G1的优势更加明显。

可预测的停顿时间模型（即：软实时soft real-time）

这是G1相对于CMS的另一大优势，G1除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒。

  1. 由于分区的原因，G1可以只选取部分区域进行内存回收，这样缩小了回收的范围，因此对于全局停顿情况的发生也能得到较好的控制。
  2. G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region。保证了G1收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。
  3. 相比于CMS GC，G1未必能做到CMS在最好情况下的延时停顿，但是最差情况要好很多。
分区
  • 使用G1收集器时，它将整个Java堆划分成约2048个大小相同的独立Region块，每个Region块大小根据堆空间的实际大小而定，整体被控制在1MB到32MB之间，且为2的N次幂，即1MB，2MB，4MB，8MB，16MB，32MB。可以通过
  • XX:G1HeapRegionSize设定。所有的Region大小相同，且在JVM生命周期内不会被改变。
  • 虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分Region（不需要连续）的集合。通过Region的动态分配方式实现逻辑上的连续。
  • 一个Region有可能属于Eden，Survivor或者Old/Tenured内存区域。但是一个Region只可能属于一个角色。图中的E表示该Region属于Eden内存区域，S表示属于Survivor内存区域，O表示属于Old内存区域。图中空白的表示未使用的内存空间。
  • G1垃圾收集器还增加了一种新的内存区域，叫做Humongous内存区域，如图中的H块。主要用于存储大对象，如果超过0.5个Region，就放到H。

总结

Java垃圾收集器的配置对于JVM优化来说是一个很重要的选择，选择合适的垃圾收集器可以让JVM的性能有一个很大的提升。怎么选择垃圾收集器？

  1. 优先调整堆的大小让JVM自适应完成。
  2. 如果内存小于100M，使用串行收集器
  3. 如果是单核、单机程序，并且没有停顿时间的要求，串行收集器
  4. 如果是多CPU、需要高吞吐量、允许停顿时间超过1秒，选择并行或者JVM自己选择
  5. 如果是多CPU、追求低停顿时间，需快速响应（比如延迟不能超过1秒，如互联网应用），使用并发收集器
  6. 官方推荐G1，性能高。现在互联网的项目，基本都是使用G1。

📖字符串常量池

String的基本特性

  • String：字符串，使用一对 “” 引起来表示
1
2
String s1 = "hello" ;   			// 字面量的定义方式
String s2 =  new String("hello");     // new 对象的方式
  • String被声明为final的，不可被继承
  • String实现了Serializable接口：表示字符串是支持序列化的。实现了Comparable接口：表示String可以比较大小
  • String在jdk8及以前内部定义了final char value[]用于存储字符串数据。JDK9时改为byte[]
  • String：代表不可变的字符序列。简称：不可变性。
    • 当对字符串重新赋值时，需要重写指定内存区域赋值，不能使用原有的value进行赋值。
    • 当对现有的字符串进行连接操作时，也需要重新指定内存区域赋值，不能使用原有的value进行赋值。
    • 当调用String的replace()方法修改指定字符或字符串时，也需要重新指定内存区域赋值，不能使用原有的value进行赋值。
    • 通过字面量的方式（区别于new）给一个字符串赋值，此时的字符串值声明在字符串常量池中。

为何改为byte[]存储？

  1. String类的当前实现将字符存储在char数组中，每个字符使用两个字节(16位)。
  2. 从许多不同的应用程序收集的数据表明，字符串是堆使用的主要组成部分，而且大多数字符串对象只包含拉丁字符（Latin-1）。这些字符只需要一个字节的存储空间，因此这些字符串对象的内部char数组中有一半的空间将不会使用，产生了大量浪费。
    • 之前 String 类使用 UTF-16 的 char[] 数组存储，现在改为 byte[] 数组 外加一个编码标识存储。
    • 该编码表示如果你的字符是ISO-8859-1或者Latin-1，那么只需要一个字节存。
    • 如果你是其它字符集，比如UTF-8，你仍然用两个字节存
  3. 结论：String再也不用char[] 来存储了，改成了byte [] 加上编码标记，节约了一些空间
  4. 同时基于String的数据结构，例如StringBuffer和StringBuilder也同样做了修改

String的底层结构

字符串常量池是不会存储相同内容的字符串的

  • String的String Pool（字符串常量池）是一个固定大小的Hashtable如果放进String Pool的String非常多，就会造成Hash冲突严重，从而导致链表会很长，而链表长了后直接会造成的影响就是当调用String.intern()方法时性能会大幅下降。

  • 使用-XX:StringTablesize可设置StringTable的长度

  • 在JDK6中StringTable是固定的，就是1009的长度，所以如果常量池中的字符串过多就会导致效率下降很快，StringTablesize设置没有要求

  • 在JDK7中，StringTable的长度默认值是60013，StringTablesize设置没有要求

  • 在JDK8中，StringTable的长度默认值是60013，StringTable可以设置的最小值为1009

String 的内存分配

  • 在Java语言中有8种基本数据类型和一种比较特殊的类型String。这些类型为了使它们在运行过程中速度更快、更节省内存，都提供了一种常量池的概念。

  • 常量池就类似一个Java系统级别提供的缓存。8种基本数据类型的常量池都是系统协调的，String类型的常量池比较特殊。它的主要使用方法有两种。

    • 直接使用双引号声明出来的String对象会直接存储在常量池中。比如：String info="atguigu.com";
    • 如果不是用双引号声明的String对象，可以使用String提供的intern()方法。这个后面重点谈

  • java 6及以前，字符串常量池存放在永久代

  • Java 7中 Oracle的工程师对字符串池的逻辑做了很大的改变，即将字符串常量池的位置调整到Java堆内

  • 所有的字符串都保存在堆（Heap）中，和其他普通对象一样，这样可以让你在进行调优应用时仅需要调整堆大小就可以了。

  • 字符串常量池概念原本使用得比较多，但是这个改动使得我们有足够的理由让我们重新考虑在Java 7中使用String.intern()

  • Java8 元空间，字符串常量在堆

字符串拼接操作

  • 常量与常量的拼接结果在常量池，原理是编译期优化
  • 常量池中不会存在相同内容的变量
  • 拼接前后，只要其中有一个是变量，结果就在堆中。变量拼接的原理是StringBuilder
  • 如果拼接的结果调用intern()方法，根据该字符串是否在常量池中存在，分为：
    • 如果存在，则返回字符串在常量池中的地址
    • 如果字符串常量池中不存在该字符串，则在常量池中创建一份，并返回此对象的地址
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@Test
    public void test2(){
        String s1 = "javaEE";
        String s2 = "hadoop";

        String s3 = "javaEEhadoop";
        String s4 = "javaEE" + "hadoop";//编译期优化
        //如果拼接符号的前后出现了变量，则相当于在堆空间中new String()，具体的内容为拼接的结果：javaEEhadoop
        String s5 = s1 + "hadoop";
        String s6 = "javaEE" + s2;
        String s7 = s1 + s2;

        System.out.println(s3 == s4);//true
        System.out.println(s3 == s5);//false
        System.out.println(s3 == s6);//false
        System.out.println(s3 == s7);//false
        System.out.println(s5 == s6);//false
        System.out.println(s5 == s7);//false
        System.out.println(s6 == s7);//false
        //intern():判断字符串常量池中是否存在javaEEhadoop值，如果存在，则返回常量池中javaEEhadoop的地址；
        //如果字符串常量池中不存在javaEEhadoop，则在常量池中加载一份javaEEhadoop，并返回次对象的地址。
        String s8 = s6.intern();
        System.out.println(s3 == s8);//true
    }

拼接相关细节

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@Test
public void test3(){
    String s1 = "a";
    String s2 = "b";
    String s3 = "ab";
    /*
    如下的s1 + s2 的执行细节：(变量s是我临时定义的）
    ① StringBuilder s = new StringBuilder();
    ② s.append("a")
    ③ s.append("b")
    ④ s.toString()  --> 约等于 new String("ab")，但不等价

    补充：在jdk5.0之后使用的是StringBuilder,在jdk5.0之前使用的是StringBuffer
     */
    String s4 = s1 + s2;//
    System.out.println(s3 == s4);//false
}

  • 字符串拼接操作不一定使用的是StringBuilder!
  • 如果拼接符号左右两边都是字符串常量或常量引用，则仍然使用编译期优化，即非StringBuilder的方式。
  • 针对于final修饰类、方法、基本数据类型、引用数据类型的量的结构时，能使用上final的时候建议使用

StringBuilder

  • 通过StringBuilder的append()的方式添加字符串的效率要远高于使用String的字符串拼接方式！

  • 原因：

    • StringBuilder的append()的方式：
      • 自始至终中只创建过一个StringBuilder的对象
    • 使用String的字符串拼接方式：
      • 创建过多个StringBuilder和String（调的toString方法）的对象，内存占用更大；

  • 如果进行GC，需要花费额外的时间（在拼接的过程中产生的一些中间字符串可能永远也用不到，会产生大量垃圾字符串）。

改进的空间：

  • 在实际开发中，如果基本确定要前前后后添加的字符串长度不高于某个限定值highLevel的情况下，建议使用构造器实例化：
  • StringBuilder s = new StringBuilder(highLevel); //new char[highLevel]
  • 这样可以避免频繁扩容

intern() 方法的说明

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public native String intern();

  1. intern是一个native方法，调用的是底层C的方法

  2. 字符串常量池池最初是空的，由String类私有地维护。在调用intern方法时，如果池中已经包含了由equals(object)方法确定的与该字符串内容相等的字符串，则返回池中的字符串地址。否则，该字符串对象将被添加到池中，并返回对该字符串对象的地址。（这是源码里的大概翻译）

  3. 如果不是用双引号声明的String对象，可以使用String提供的intern方法：intern方法会从字符串常量池中查询当前字符串是否存在，若不存在就会将当前字符串放入常量池中。比如：

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    String myInfo = new string("I love u").intern();

  4. 也就是说，如果在任意字符串上调用String.intern方法，那么其返回结果所指向的那个类实例，必须和直接以常量形式出现的字符串实例完全相同。因此，下列表达式的值必定是true

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    ("a"+"b"+"c").intern()=="abc"

  5. 通俗点讲，Interned String就是确保字符串在内存里只有一份拷贝，这样可以节约内存空间，加快字符串操作任务的执行速度。注意，这个值会被存放在字符串内部池（String Intern Pool）

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public class StringExer1 {
    public static void main(String[] args) {
        String x = "ab";
        String s = new String("a") + new String("b");//new String("ab")
        //在上一行代码执行完以后，字符串常量池中并没有"ab"
		/*
        2、jdk8中：字符串常量池（此时在堆中）中没有创建字符串"ab",而是创建一个引用，指向new String("ab")，		  
        将此引用返回
        3、详解看上面
		*/
        String s2 = s.intern();

        System.out.println(s2 == "ab");//jdk8:true
        System.out.println(s == "ab");// jdk8:true
    }
}
  • 对于程序中大量使用存在的字符串时，尤其存在很多已经重复的字符串时，使用intern()方法能够节省很大的内存空间。
  • 大的网站平台，需要内存中存储大量的字符串。比如社交网站，很多人都存储：北京市、海淀区等信息。这时候如果字符串都调用intern() 方法，就会很明显降低内存的大小。

String去重

String去重操作的背景

注意不是字符串常量池的去重操作，字符串常量池本身就没有重复的

  1. 背景：对许多Java应用（有大的也有小的）做的测试得出以下结果：
    • 堆存活数据集合里面String对象占了25%
    • 堆存活数据集合里面重复的String对象有13.5%
    • String对象的平均长度是45
  2. 许多大规模的Java应用的瓶颈在于内存，测试表明，在这些类型的应用里面，Java堆中存活的数据集合差不多25%是String对象。更进一步，这里面差不多一半String对象是重复的，重复的意思是说：str1.equals(str2)= true。堆上存在重复的String对象必然是一种内存的浪费。这个项目将在G1垃圾收集器中实现自动持续对重复的String对象进行去重，这样就能避免浪费内存。

String 去重的的实现

  1. 当垃圾收集器工作的时候，会访问堆上存活的对象。对每一个访问的对象都会检查是否是候选的要去重的String对象。
  2. 如果是，把这个对象的一个引用插入到队列中等待后续的处理。一个去重的线程在后台运行，处理这个队列。处理队列的一个元素意味着从队列删除这个元素，然后尝试去重它引用的String对象。
  3. 使用一个Hashtable来记录所有的被String对象使用的不重复的char数组。当去重的时候，会查这个Hashtable，来看堆上是否已经存在一个一模一样的char数组。
  4. 如果存在，String对象会被调整引用那个数组，释放对原来的数组的引用，最终会被垃圾收集器回收掉。
  5. 如果查找失败，char数组会被插入到Hashtable，这样以后的时候就可以共享这个数组了。

📖垃圾回收相关概念

System.gc() 的理解

  • 在默认情况下，通过System.gc()者Runtime.getRuntime().gc() 的调用，会显式触发Full GC，同时对老年代和新生代进行回收，尝试释放被丢弃对象占用的内存。
  • 然而System.gc()调用附带一个免责声明，无法保证对垃圾收集器的调用(不能确保立即生效)
  • JVM实现者可以通过System.gc() 调用来决定JVM的GC行为。而一般情况下，垃圾回收应该是自动进行的，无须手动触发，否则就太过于麻烦了。在一些特殊情况下，如我们正在编写一个性能基准，我们可以在运行之间调用System.gc()

内存溢出与内存泄漏

内存溢出

  1. 是指程序在申请内存时，没有足够的内存空间供其使用
  2. Javadoc中对OutofMemoryError的解释是，没有空闲内存，并且垃圾收集器也无法提供更多内存。

内存溢出（OOM）原因分析

  1. Java虚拟机的堆内存设置不够。
    • 比如：可能存在内存泄漏问题；也很有可能就是堆的大小不合理，比如我们要处理比较可观的数据量，但是没有显式指定JVM堆大小或者指定数值偏小。我们可以通过参数-Xms 、-Xmx来调整。
  2. 代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）
    • 对于老版本的Oracle JDK，因为永久代的大小是有限的，并且JVM对永久代垃圾回收（如，常量池回收、卸载不再需要的类型）非常不积极，所以当我们不断添加新类型的时候，永久代出现OutOfMemoryError也非常多见。尤其是在运行时存在大量动态类型生成的场合；类似intern字符串缓存占用太多空间，也会导致OOM问题。对应的异常信息，会标记出来和永久代相关：“java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space”。
    • 随着元数据区的引入，方法区内存已经不再那么窘迫，所以相应的OOM有所改观，出现OOM，异常信息则变成了：“java.lang.OutofMemoryError:Metaspace”。直接内存不足，也会导致OOM。

内存泄漏

​ 是指程序在申请内存后，无法释放已申请的内存空间。

  1. 也称作“存储渗漏”。严格来说，只有对象不会再被程序用到了，但是GC又不能回收他们的情况，才叫内存泄漏。
  2. 但实际情况很多时候一些不太好的实践（或疏忽）会导致对象的生命周期变得很长甚至导致OOM，也可以叫做宽泛意义上的“内存泄漏”。
  3. 尽管内存泄漏并不会立刻引起程序崩溃，但是一旦发生内存泄漏，程序中的可用内存就会被逐步蚕食，直至耗尽所有内存，最终出现OutofMemory异常，导致程序崩溃。
  4. 注意，这里的存储空间并不是指物理内存，而是指虚拟内存大小，这个虚拟内存大小取决于磁盘交换区设定的大小。

Stop the World

  • Stop-the-World，简称STW，指的是GC事件发生过程中，会产生应用程序的停顿。停顿产生时整个应用程序线程都会被暂停，没有任何响应，有点像卡死的感觉，这个停顿称为STW。

  • 可达性分析算法中枚举根节点（GC Roots）会导致所有Java执行线程停顿，为什么需要停顿所有 Java 执行线程呢？

    • 分析工作必须在一个能确保一致性的快照中进行
    • 一致性指整个分析期间整个执行系统看起来像被冻结在某个时间点上
    • 如果出现分析过程中对象引用关系还在不断变化，则分析结果的准确性无法保证

  • 被STW中断的应用程序线程会在完成GC之后恢复，频繁中断会让用户感觉像是网速不快造成电影卡带一样，所以我们需要减少STW的发生。

  • STW事件和采用哪款GC无关，所有的GC都有这个事件。

  • 哪怕是G1也不能完全避免Stop-the-world情况发生，只能说垃圾回收器越来越优秀，回收效率越来越高，尽可能地缩短了暂停时间。

  • STW是JVM在后台自动发起和自动完成的。在用户不可见的情况下，把用户正常的工作线程全部停掉。

  • 开发中不要用System.gc() ，这会导致Stop-the-World的发生。

垃圾回收的并行与并发

并发：是指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间，且这几个程序都是在同一个处理器上运行

并发不是真正意义上的“同时进行”，只是CPU把一个时间段划分成几个时间片段（时间区间），然后在这几个时间区间之间来回切换。由于CPU处理的速度非常快，只要时间间隔处理得当，即可让用户感觉是多个应用程序同时在进行

并行：当系统有一个以上CPU时，当一个CPU执行一个进程时，另一个CPU可以执行另一个进程，两个进程互不抢占CPU资源，可以同时进行，我们称之为并行（Parallel）

并发 并行
发生时间 同一时间段内 同一时间点
是否抢占资源 是 否

只有在多CPU或者一个CPU多核的情况中，才会发生并行。否则，看似同时发生的事情，其实都是并发执行的。

在垃圾回收中

  • 并行（Parallel）：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍处于等待状态。

    • 如ParNew、Parallel Scavenge、Parallel Old

  • 串行（Serial）

    • 相较于并行的概念，单线程执行。
    • 如果内存不够，则程序暂停，启动JVM垃圾回收器进行垃圾回收（单线程）

  • 并发（Concurrent）：指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行的，可能会交替执行），垃圾回收线程在执行时不会停顿用户程序的运行。

    • 比如用户程序在继续运行，而垃圾收集程序线程运行于另一个CPU上；

安全点和安全区域

安全点（Safepoint）

  1. 程序执行时并非在所有地方都能停顿下来开始GC，只有在特定的位置才能停顿下来开始GC，这些位置称为“安全点（Safepoint）”。
  2. Safe Point的选择很重要，如果太少可能导致GC等待的时间太长，如果太频繁可能导致运行时的性能问题。大部分指令的执行时间都非常短暂，通常会根据“是否具有让程序长时间执行的特征”为标准。比如：选择一些执行时间较长的指令作为Safe Point，如方法调用、循环跳转和异常跳转等。

如何在GC发生时，检查所有线程都跑到最近的安全点停顿下来呢？

  1. 抢先式中断：（目前没有虚拟机采用了）首先中断所有线程。如果还有线程不在安全点，就恢复线程，让线程跑到安全点。
  2. 主动式中断：设置一个中断标志，各个线程运行到Safe Point的时候主动轮询这个标志，如果中断标志为真，则将自己进行中断挂起。

安全区域（Safe Region）

  1. Safepoint 机制保证了程序执行时，在不太长的时间内就会遇到可进入GC的Safepoint。但是，程序“不执行”的时候呢？
  2. 例如线程处于Sleep状态或Blocked 状态，这时候线程无法响应JVM的中断请求，“走”到安全点去中断挂起，JVM也不太可能等待线程被唤醒。对于这种情况，就需要安全区域（Safe Region）来解决。
  3. 安全区域是指在一段代码片段中，对象的引用关系不会发生变化，在这个区域中的任何位置开始GC都是安全的。我们也可以把Safe Region看做是被扩展了的Safepoint。

安全区域的执行流程

  1. 当线程运行到Safe Region的代码时，首先标识已经进入了Safe Region，如果这段时间内发生GC，JVM会忽略标识为Safe Region状态的线程
  2. 当线程即将离开Safe Region时，会检查JVM是否已经完成根节点枚举（即GC Roots的枚举），如果完成了，则继续运行，否则线程必须等待直到收到可以安全离开Safe Region的信号为止；

四种引用

  • 强引用

    • 在Java程序中，最常见的引用类型是强引用（普通系统99%以上都是强引用），也就是我们最常见的普通对象引用，也是默认的引用类型。
    • 只要强引用的对象是可触及的，垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象。只要强引用的对象是可达的，jvm宁可报OOM，也不会回收强引用

  • 软引用

    • 内存不足即回收
    • 软引用是用来描述一些还有用，但非必需的对象。只被软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常前，会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收

  • 弱引用

    • 发现即回收
    • 弱引用也是用来描述那些非必需对象，只被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生为止。在系统GC时，只要发现弱引用，不管系统堆空间使用是否充足，都会回收掉只被弱引用关联的对象。

  • 虚引用

    • 为一个对象设置虚引用关联的唯一目的在于跟踪垃圾回收过程。比如：能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。