JVM详解

1 JVM运行机制概述

JVM运行机制

• 类加载机制： 类加载过程由类加载器来完成，即由ClassLoader及其子类实现，有隐式加载和显式加载两种方式。隐式加载是指在使用new等方式创建对象时会隐式调用类加载器把对应的类加载到JVM中；显式加载是指通过直接调用Class.forName()把对应的类加载到JVM中。
• 内存模型（运行时数据区）：共享区【方法区、堆】、私有区【虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器】、直接内存（不受JVM GC管理）。其中程序计数器是唯一不会出现OOM的内存区。
• 执行引擎：即时编译器、垃圾收集器（按代回收算法：新生代-复制算法（Minor GC），老年代-标记整理算法（Major GC / Full GC））

2 类加载机制

类加载过程由类加载器来完成，即由ClassLoader及其子类实现，有隐式加载和显式加载两种方式。隐式加载是指在使用new等方式创建对象时会隐式调用类加载器把对应的类加载到JVM中；显式加载是指通过直接调用Class.forName()把对应的类加载到JVM中。

参考链接：jvm之java类加载机制和类加载器(ClassLoader)的详解

2.1 类加载过程

• 装载：查找和导入Class文件；

• 链接：把类的二进制数据合并到JRE中；

  校验：检查载入Class文件数据的正确性；

  准备：给类的静态变量分配存储空间；

  解析：将符号引用转成直接引用；

• 初始化：对类的静态变量，静态代码块执行初始化操作

2.2 类加载器

类的加载是动态的，它不会一次性将所有类全部加载后再运行，而是保证程序运行的基础类（如基类）完全加载到JVM中，至于其他类，则在需要时才加载。类分为3类：核心类、扩展类、自定义类。针对这3种类有3种类型的加载器：Bootstrip ClassLoader、Extension ClassLoader、Application ClassLoader。

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载 Java 的核心类（ $JAVA_HOME 中 jre/lib/rt.jar 里所有的class），由C++实现的，不是 java.lang.ClassLoader 的子类。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节，开发者无法直接获取到该类加载器的引用，所以不允许直接通过引用进行操作。
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载JRE的扩展目录，lib/ext 或者由 java.ext.dirs 系统属性指定的目录中的JAR包的类。由Java语言实现，父类加载器为null。
• 应用类加载器（Application ClassLoader）：也被称为系统类加载器（System ClassLoader），负责在JVM启动时加载来自Java 命令的 -classpath 选项、java.class.path 系统属性，或者 CLASSPATH 环境变量所指定的 JAR 包和类路径。程序可以通过 ClassLoader 的静态方法 getSystemClassLoader() 来获取系统类加载器。如果没有特别指定，则用户自定义的类加载器都以此类加载器作为父类加载器。由Java语言实现，父类加载器为ExtClassLoader。
• 自定义类加载器（User ClassLoader）：必须继承 java.lang.ClassLoader。

public class Main {
	public static void main(String[] args) {
		ClassLoader appClassLoader=Main.class.getClassLoader(); //获取AppClassLoader
		System.out.println(appClassLoader);
		ClassLoader extClassLoader=appClassLoader.getParent(); //获取ExtClassLoader
		System.out.println(extClassLoader);
		ClassLoader bootClassLoader=extClassLoader.getParent(); //获取BootClassLoader
		System.out.println(bootClassLoader);
	}
}

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@2a139a55
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@7852e922
null

双亲委派机制

双亲委派模型

注意：上图是委派关系，不是继承关系。

双亲委派机制工作原理：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，即每个儿子都很懒，每次有活就丢给父亲去干，直到父亲说这件事我也干不了时，儿子自己才想办法去完成。

双亲委派机制的优势：采用双亲委派模式的是好处是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次。其次是考虑到安全因素，java核心api中定义类型不会被随意替换，假设通过网络传递一个名为java.lang.Integer的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心Java API发现这个名字的类，发现该类已被加载，并不会重新加载网络传递的过来的java.lang.Integer，而直接返回已加载过的Integer.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改。

2.3 反射机制

反射机制能够实现在运行时对类进行装载，增加了程序的灵活性。反射机制提供的功能主要有：获取类、获取父类、获取接口、获取成员变量、获取构造器、获取成员方法、运行时创建对象、运行时调用方法。

class Demo{
	int x;
	String s;
	Demo(){}
	Demo(int x,String s){
		this.x=x;
		this.s=s;
	}
	public void show() {
		System.out.println(x+","+s);
	}
	public String show(int x,String s) {
		System.out.println(x+","+s);
		return "success";
	}
}

（1）获取 Class 类

Class c=Class.forName("Demo");
Class c=Demo.class;
Class c=demo.getClass();

（2）获取父类和接口

Class c=String.class;

Class superClass=c.getSuperclass(); //Object
Class[] interfaces=c.getInterfaces(); //Serializable, Comparable<String>, CharSequence

（3）获取类的属性、构造器、方法

Class c=Class.forName("Demo");

//获取属性
Field[] fields1=c.getFields(); //获取所有public属性
Field[] fields2=c.getDeclaredFields(); //获取所有属性
Field field=c.getDeclaredField("x"); //获取指定属性

//获取构造器
Constructor[] constructors=c.getDeclaredConstructors(); //获取所有构造器
Constructor constructor1=c.getDeclaredConstructor(null); //获取无参构造器
Constructor constructor2=c.getDeclaredConstructor(int.class,String.class); //获取指定参数的构造器

//获取方法
Method[] methods1=c.getMethods(); //获取所有public方法
Method[] methods2=c.getDeclaredMethods(); //获取所有方法
Method method=c.getDeclaredMethod("show",int.class,String.class); //获取所有指定方法

（4）创建实例

Class c=Class.forName("Demo");

Demo demo1=(Demo)c.newInstance();
demo1.show();

Constructor constructor=c.getDeclaredConstructor(int.class,String.class); //获取指定参数的构造器
Demo demo2=(Demo) constructor.newInstance(20,"abc");
demo2.show();

0,null
20,abc

（5）调用方法

c=Class.forName("test.Demo");
Method method=c.getDeclaredMethod("show",int.class,String.class); //获取show()方法
String s=(String)method.invoke(c.newInstance(),10,"edf"); //调用show()方法
System.out.println(s); //打印show()方法返回值

10,edf
success

注意：若待调用的方法是静态方法，invoke(Object obj, Object... args) 方法的第一个参数为 null。

3 内存模型

内存模型

• 方法区：用于存储被JVM加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码；HotSpot VM把GC分代收集扩展至方法区，使用堆的永久代实现方法区（永久代的内存回收主要针对常量池的回收和类的卸载）。在jdk1.8以前，方法区也叫永久代，主要存放 Class 和 Meta（元数据），GC不会在主程序运行时对永久代进行清理，随着加载的Class的增多而膨胀，最终抛出OOM；jdk1.8中，永久代被元空间取代，元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存，因此，元空间的大小仅受本地内存限制。类的元数据放入本地内存中，字符串池和类的静态变量放入堆中。
• 堆：分为新生代（Eden区：from Survivor：to Survivor=8:1:1）、老年代。新生代占堆内存1/3，由Minior GC回收；老年代占堆内存（2/3）由Major GC(或 Full GC)回收。
• 虚拟机栈：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）【局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口】。栈帧随着方法的调用而创建，随着方法的结束而销毁，因此不需要GC。
• 本地方法栈：虚拟机栈为Java方法服务，本地方法栈为native方法服务
• 程序计数器：当前线程所执行的字节码的行号指示器（唯一没有OOM的区域）

堆和栈的比较：

1. 内存结构：堆空间被划分为新生代、老年代，新生代被又被划分为Eden区、Survivor区；栈空间没有这种划分，有虚拟机栈和本地方法栈两类，在方法调用时，会产生栈帧，栈帧中主要保存局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口。
2. 空间大小：堆空间较大，栈空间较小。
3. 存储信息：堆主要用于存储对象；栈主要存储对象引用、基本类型数据、方法调用。
4. 共享性：堆是线程共享的，栈是线程私有的，每个线程有自己独立的栈空间。
5. 运行速度：堆和栈都位于通用RAM中，但栈处理速度较快，仅次于寄存器。
6. 垃圾回收：堆由GC回收，栈不需要GC回收；方法调用结束时，自动销毁栈帧。
7. 抛出异常：堆满时，抛出 OutOfMemoryError 异常；栈满时，抛出 StackOverFlowError 异常。

4 垃圾回收算法

4.1 判断是否为垃圾

• 引用计数法：引用和对象相关联，对象的引用数为0即可回收
• 可达性分析：为了解决引用计数法的循环引用问题，Java使用了可达性分析的方法。通过一系列的“GC roots”对象作为起点搜索，2次被标记为不可达的对象，即可回收。

4.2 垃圾回收算法

• 复制算法：将内存分为大小相等的两块，每次只使用其中一块，垃圾回收时，将存活的对象复制到另一块内存中，并清空已使用的内存
• 标记清除算法：标记需要回收的对象，并清除
• 标记整理算法：标记存活对象，将其移相内存一端，清除端边界外的对象
• 分代收集算法：新生代-复制算法（Minior GC），老年代-标记整理算法（Major GC / Full GC）

JDK1.6 中 Sun HotSpot 虚拟机垃圾收集器如下（其中，连线表示可以配套使用）：

垃圾收集器

5 引用类型

• 强引用：最常见，如：将对象赋给一个引用变量，它处于可达状态，不会被GC 回收。强引用是造成内存泄漏的主要原因之一
• 软引用：使用SoftReference类实现，当系统内存足够时不会被回收，当系统内存不够时会被回收
• 弱引用：使用WeakReference类实现，只要GC一运行，就会被回收
• 虚引用：使用PhantomReference类实现，不能单独使用，必须和引用队列联合使用，用于跟踪对象被垃圾回收的状态

6 JVM参数调优

JVM参数调优主要是针对堆的参数进行调优。在Java程序界面右击，依次选择【Run As】 ->【Run Configurations】->【Arguments】->【VM arguments】，然后填入要传入的调优参数，如“-Xms512m -Xmx1024m -XX:+PrintGCDetails”，再点击【Run】即可。如下图所示：

JVM参数调优步骤

程序输出结果如下：

Heap
 PSYoungGen      total 153088K, used 7895K [0x00000000eab00000, 0x00000000f5580000, 0x0000000100000000)
  eden space 131584K, 6% used [0x00000000eab00000,0x00000000eb2b5dc8,0x00000000f2b80000)
  from space 21504K,  0% used [0x00000000f4080000,0x00000000f4080000,0x00000000f5580000)
  to   space 21504K,  0% used [0x00000000f2b80000,0x00000000f2b80000,0x00000000f4080000)
 ParOldGen       total 349696K, used 0K [0x00000000c0000000, 0x00000000d5580000, 0x00000000eab00000)
  object space 349696K, 0% used [0x00000000c0000000,0x00000000c0000000,0x00000000d5580000)
  Metaspace      used 2670K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 294K,  capacity 386K,  committed 512K,  reserved 1048576K

堆设置

• -Xms：初始堆大小，默认为物理内存的1/64
• -Xmx：最大堆大小，默认为物理内存的1/4
• -XX:NewSize=n：设置新生代大小
• -XX:NewRatio=n：设置新生代和老年代的比值。默认为2，表示新生代：老年代=1：2，新生代占堆内存的1/3
• -XX:SurvivorRatio=n：年轻代中Eden区与一个Survivor区的比值。默认为8，表示Eden：Survivor=8：2（Survivor区有2个）
• -XX:PermSize=n：设置永久代初始空间
• -XX:MaxPermSize=n：设置永久代最大空间

收集器设置

• -XX:+UseSerialGC：设置串行收集器
• -XX:+UseParallelGC：设置并行收集器
• -XX:+UseParalledlOldGC：设置并行年老代收集器
• -XX:+UseConcMarkSweepGC：设置并发收集器

垃圾回收统计信息

• -XX:+PrintGC：输出GC处理日志
• -XX:+PrintGCDetails：输出详细的GC处理日志
• -XX:+PrintGCTimeStamps
• -Xloggc:filename

并行收集器设置

• -XX:ParallelGCThreads=n：设置并行收集器收集时使用的收集线程数
• -XX:MaxGCPauseMillis=n：设置并行收集最大暂停时间
• -XX:GCTimeRatio=n：设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比。公式为1/(1+n)

并发收集器设置

• -XX:+CMSIncrementalMode：设置为增量模式。适用于单CPU情况。
• -XX:ParallelGCThreads=n：设置并发收集器年轻代收集方式为并行收集时，使用的CPU数。并行收集线程数。

​ 声明：本文转自JVM详解