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JVM是一个可运行Java代码的虚拟计算机包括一套字节码指令集一组寄存器一个栈一个垃圾回收堆和一个存储方式栈。JVM 是运行在操作系统之上并不与操作系统直接交互。 2、运行过程
我们都知道Java源文件通过编译器能够产生相应的.class文件也就是字节码文件而字节码文件又通过Java虚拟机中的解释器编译成特定机器上的机器码。
如下Java 源文件 —— 编译器 —— 字节码文件 —— JVM —— 机器码
每一种平台的解释器是不同的但是实现的虚拟机是相同的这就是 Java 跨平台机制。
多个程序启动就会存在多个虚拟机实例随程序的开始和完成而创建和消亡多个虚拟机实例之间数据不能共享
2.1 线程
这里的线程指程序执行过程中的一个线程实体在Hotspot JVM中的Java 线程与操作系统线程有直接的映射关系。
① 当线程本地存储、缓冲池分配、同步对象、栈、程序计数器等准备好以后创建一个操作系统线程随着Java线程的生命周期而变化OS负责调度所有线程并分配CPU。 ② OS线程完成初始化调用Java线程的run()方法 ③ Java线程结束时释放绑定OS线程和线程所有资源。
Hotspot JVM 后台运行的主要系统线程
虚拟机线程 等待JVM到达安全点操作出现这些操作必须在独立的线程中执行因为当 堆 修改时需要JVM到达安全点。操作主要有 stop-the-world 垃圾回收、线程栈 dump、线程暂停、线程偏向锁解除。周期任务线程 负责定时器任务即中断用来调度周期性操作的执行。GC线程 支持JVM的各种GC活动。编译器线程 支持在运行时将字节码动态编译成本地平台相关的机器码。信号分发线程 支持接收发送到JVM的信号并调用适当的JVM方法处理。
2.2 JMM 内存模型
私有型内存区域 生命周期与线程相同依赖用户线程的创建或结束在Hotspot JVM中每个线程都与OS线程直接映射 程序计数器 唯一不会发生OOM的区域 一块很小的内存空间是当前线程所执行的字节码行号指示器每一个线程都有一个独立的程序计数器。若正在执行Java方法计数器记录的是字节码指令的地址当前指令的地址若为本地方法Native Method则设为空。 虚拟机栈 描述Java方法执行的内存模型。每一个方法执行时都会创建一个栈帧Stack Frame用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息栈帧对应着方法的开始到结束的过程。 栈帧 是一个存储数据和部分计算结果的数据结构同时用来处理动态链接、方法返回值和异常分派等信息无论如何完成方法正常或异常都会随着方法结束而销毁。 本地方法栈 为Native方法服务的栈结构。 共享型内存区域 方法区永久代 存储加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。 运行时常量池 方法区的一部分主要用于存储在类加载后编译期产生的字面量和符号引用。 类实例区堆内存 存储创建的对象和数组的内存区域是GC最重要的内存区域。 直接型内存区域 不受JVM GC管理 2.3 JVM 运行时内存
JVM 堆从GC的角度可以细分为 新生代 和 老年代。
2.3.1 新生代
新生代 在JVM 堆内存中占有 1/3 的空间老年代占有 2/3 的空间。
新生代区域 可分为三个部分Eden区8/10、ServivorFrom区1/10、ServivorTo区1/10 - Eden区 Java新对象的存储区域若新对象过大则会直接放入老年代区当该区域内存不足时则会触发Minor GC 进行新生代区回收。 - ServivorFrom区 存储上一次GC未回收的对象 - ServivorTo区 保留一次Minor GC 未回收对象。
Minor GC次要垃圾收集
采用算法 复制算法MinorGC的过程 复制——清空——互换
新生代进行垃圾回收的过程
1、eden、servivorFrom 复制到 servivorTo, 并且所有对象年龄1 若对象年龄符合老年代标准则复制到老年代若ServivorTo区域内存不足则直接复制到老年代 2、清空edon、servivorFrom区域3、ServivorFrom与ServivorTo指针互换 在下一次GC时现在的ServivorFrom就是需要扫描的ServivorTo
2.3.2 老年代
老年代主要是存放应用程序中生命周期长的内存对象因为对象的稳定所以不会频繁发生MajorGC。
当有新生代对象进入老年代时先触发一次MajorGC再触发MajorGC。当无法找到足够的内存空间分配给新创建的较大对象时也会触发MajorGC腾出空间。当老年代内存不足时抛出OOM异常。
Major GC主要垃圾回收
采用算法 标记清除算法。老年代触发后的使用过程 1、扫描所有老年代对象标记存活对象。2、回收无标记的对象。 缺点 每一次回收都会产生内存碎片通常需要进行合并或标记出来方便下次直接分配。
2.3.3 永久代
内存永久保存的区域主要存储Class和Meta元数据的信息。
Class在被加载时就被放入永久代区域中GC不会在主程序运行时对永久区进行回收所以会导致OOM异常。
元数据空间 Java 8 引入代替永久代的内存空间最大区别在于元数据空间是映射在实际内存上的其大小也是限制在实际可用内存上的而永久代则是映射在JVM的内存上受JVM的限制。 2.4 垃圾回收算法
2.4.1 如何判断是否为垃圾
引用计数法 对象引用一次引用计数器1当引用数为0或引用数是所有对象中最低的则被GC回收。可达性分析 通过对一系列的“GC roots” 对象为起点进行搜索当一个“GC roots” 和 一个对象之间没有可达路径则该对象是不可达对象并进行标记若第二次搜索标记仍然是不可达对象则被GC回收。
2.4.2 有哪些GC算法
标记清除算法Mark-Sweep 一种最基本的GC算法分为两个阶段标注和清除。其缺点是内存碎片化。 标注 通过一次扫描进行标记可回收对象。清除 回收带有标记的对象。 复制算法copying 将内存分为等大的两份主区域、备份区域首先使用主区域当主区域内存满后或不足以分配足够的空间时将主区域进行一次标记清除回收再将存活的对象复制到备份区域并清理主区域。其缺点是可用内存减半且在存活对象过多复制算法效率下降。标记整理算法Mark-Compact 分为三个阶段标注、移动和清除。 标注 标记可回收对象。移动 移动存活对象到内存的的一端。清除 清除存活对象存储区域外的所有区域。 分代收集算法 主要是针对新生代、老年代和永久代的收集算法。 新生代 采用复制算法 由于新生代的清除操作多于复制操作所以一般划分一个较大的Edon区域和两个较小的Servivor空间当进行GC时将Eden区和其中一个Servivor空间存活的对象复制到另一个Servivor空间中。 老年代 采用标记复制算法 当对象年龄到达15时被清除于老年代。 永久代 采用标记复制算法 主要收集 废弃常量 和 无用的类 2.5 Java的四种引用类型
强引用 最常见于对象赋值变量这个引用就是强引用它不会被JVM回收是造成OOM的主要原因。软引用 通过 SoftReference 类实现对于软引用对象来说只有在JVM内存不足时才会被回收常见用于内存敏感的程序中。弱引用 通过 WeakRefrence 类实现只要GC机制启动该类引用就会被回收常用于类初始化例如类代码块。虚引用 通过 PhantomRefrence 类实现必须与引用队列联合使用主要用于跟踪对象被回收的状态。 2.6 分代收集算法 和 分区收集算法的区别
2.6.1 分代收集算法
新生代-复制算法 频繁发生GC且仅有少量存活对象时选用复制算法其付出成本较少。老年代-标记整理算法 对象存活率高选用标记整理算法效率更高
2.6.2 分区收集算法
分区算法是将一块内存空间分成连续不同的内存空间每个小区间都可以独立使用独立回收可以控制一次性回收多个空间根据目标停顿时间的不同每次合理回收若干个小区间从而减少一次GC所产生的停顿。 2.7 GC 垃圾收集器
Java 对新生代和老年代分别提供了不同的垃圾收集器。
新生代 Serial单线程复制算法 一种最基本的垃圾收集器是JDK 1.3.1 之前唯一的新生代GC器执行时只使用一条线程或一个CPU并阻塞所有线程直到垃圾收集完成。因为其高效的特性在限定单个CPU环境下没有线程交互的开销因此Serial依然是JVM在Client模式下的默认新生代收集器。ParNew多线程Serial 默认开启和CPU数量相同的线程数可以通过-XX:ParallelGCThreads参数进行限制垃圾收集器的线程数。Parallel Scavenge多线程自适应Serial 高吞吐量环境下高效利用CPU时间进行垃圾回收主要适用于后台运算且不需要过多交互的任务自适应调节策略是其最大的特点。 老年代 CMSConcurrent mark sweep 通过获取最短垃圾回收停顿时间利用多线程的标记-清除算法进行垃圾回收。工作机制有四个阶段 初始标记 标记与GC roots直接关联的对象速度极快需要阻塞工作线程。并发标记 与用户线程并发执行跟踪GC roots操作重新标记 修正因用户程序运行而改变的标记需要阻塞工作线程并发清除 当第一次标记与第二次标记都为可回收则CMS清除当前可回收对象 Serial Old单线程标记整理算法 Serial 收集器的老年代版本主要运行在 Client 默认的JVM老年代垃圾收集器。Parallel Old多线程自适应Serial Old Parallel Scavenge 收集器的老年代版本在高吞吐环境下搭配 Parallel Scavenge 进行新/老年代的垃圾回收调节策略。 G1收集器 改进了CMS基于标记整理算法并且精确控制停顿时间在保证高吞吐量的同时实现低停顿GC具有有效时间内的最高垃圾回收效率。 1、将堆内存划分为大小固定的几个内存区域并跟踪这几个区域的GC进度2、维护一个优先级列表根据允许的收集时间优先回收垃圾最频繁产生的区域。 2.8 IO和NIO
2.8.1 阻塞IO模型
一种最传统的IO模型即在读写过程中会发生阻塞现象
概念 用户线程发出IO请求内核查看数据就绪状态若数据未就绪则用户线程处于阻塞状态用户线程交出CPU当数据就绪时内核拷贝数据到用户线程并返回结果到用户线程用户线程解除阻塞状态。例子 data socket.read若数据未就绪就会一直阻塞在read方法。
2.8.2 非阻塞IO模型
概念 当用户线程发出read操作后内核检查数据就绪状态若数据就绪则内核拷贝数据若数据未就绪则直接返回error结果用户线程不断询问内核数据就绪状态所以NIO模型会一直占用CPU。例子 while(true){ data socket.read(); if( data ! error ) break; }缺点 CPU占用率高
2.8.3 多路复用IO模型
目前使用较多的IO模型Java NIO 就是一种多路复用IO。
概念 在多路复用IO模型中会有一个内核线程不断轮询每个socket的状态当socket 发出IO请求时才调用 IO 操作。在Java NIO 中通过selector.select()轮询socket若没有请求则阻塞在轮询状态。使用场景 适用于连接数较多的场景。缺点 若响应体过大会阻塞其它IO请求处理并且影响sokect轮询进度。
2.8.4 信号驱动IO模型
概念 当用户线程发起一个IO请求给对应的socket注册一个信号函数然后用户线程继续执行当内核数据就绪会发送一个信号给用户线程当用户线程接收到信号后利用信号函数的IO操作接口来实现读写操作。
2.8.5 异步IO模型
一种理想的IO模型。
概念 当用户线程发起read请求后无需等待数据返回并发去做其它任务。而在内核角度内核受到asynchronous read后会立刻返回说明 read 请求发起成功因此不会发生阻塞状况内核等待数据就绪完成后将数据拷贝到用户线程并发送一个信号给用户线程。使用 Java 7 中提供了 AIOAsynchronous IO类。优点 用户线程在IO请求阶段和IO使用阶段都不需要阻塞线程而是接受到内核发送的信号后可以直接使用数据。 2.9 Java IO包
主要是常用的字节流和字符流分支。 2.10 Java NIO包
NIO 主要有三大核心部分Channel通道、Buffer缓冲区、Selector选择器。
NIO基于Channel与Buffer进行IO操作数据总是从通道读取到缓冲区中或从缓冲区写入通道而Selector监听多个Channel事件例如连接、数据就绪因此单个线程可以监听多个通道。
NIO 和 IO 之间最大区别是 【IO面向流NIO面向缓冲区】
** NIO的缓冲区**
传统IO是从流中读取单个或多个字节直至读取完所有字节所以不能预处理流中的数据。
NIO缓冲区的设立是为了可以在缓冲区中灵活地预处理读取到的数据当数据从通道读取到缓冲区后可以在缓冲区中处理读取数据再执行获取数据操作但处理数据时有两个问题需要处理1、判断数据是否需要处理2、读入新数据不覆盖未处理的数据。
NIO的非阻塞
NIO的非阻塞是指在线程调用read或write操作时会立刻在通道中获取当前可用数据或写入部分数据若无数据可用则返回空数据无需等待有值数据所以NIO可以用单独的线程管理多个IO通道。
Java NIO类
2.10.1 Channel
Channel 和 IO中的Stream是同一级别的只是Channel是双向的Stream是单向的。
NIO中的Channel主要实现有
1、FileChannel文件IO2、DatagramChannelUDP通道3、SocketChannelTCP用户端通道4、ServerSocketChannelTCP服务端通道
2.10.2 Buffer
Buffer实际上是一个连续数组任何读入或写入的数据都需要通过Buffer进行传输但通道与通道之间不需要Buffer进行缓冲。
NIO中的Buffer主要实现有
1、ByteBuffer2、ShortBuffer3、IntBuffer4、LongBuffer5、DoubleBuffer6、FloatBuffer7、CharBuffer
2.10.3 Selector
Selector能够检测多个注册的通道上是否发出IO请求当有IO请求时便获取请求事件并调用请求时间对应的响应方法。 2.11 JVM类加载机制
JVM类加载机制分为五个部分
加载Loading 这个阶段会在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象作为读取这个类各种数据的方法区入口。这里的Class对象可以是从压缩包中读取也可以是动态代理类也可以是其它文件生成验证Verification 这个阶段是为了确保Class文件的字节流包含的信息是符合当前JVM的要求。准备Preparation 这个阶段是为了给类变量分配内存并初始化。这里的初始化是JVM已经分配好的类型默认值例如int类型的初始化值为 0解析Resolution 这个阶段是为了将常量池的符号引用替换为直接引用的过程。就是将使用变量的位置都换成常量 符号引用 符号引用与虚拟机实现的布局无关但符号引用的字面量形式必须符合JVM规范的Class文件格式。**直接引用**引用目标在虚拟机中必须存在直接引用的目标可以是是指向目标的指针相对偏移量或是间接定位目标的句柄。 初始化Initialization 这个阶段是真正执行类中定义的Java程序代码主要是执行类构造器client方法的过程。 client 方法是编译器自动收集类中的类变量的赋值操作和静态语句块中的语句合并而成的JVM会保证子类构造器执行前父类构造器完成执行如果一个类中没有静态变量赋值也没有静态代码块那么编译器不会为其生成 client方法。不执行类初始化的情况 1、子类引用父类的静态字段只会触发父类的初始化2、定义了对象数组3、未直接引用定义常量的类4、通过类名获取Class对象5、调用Class.forName()加载指定类时指定参数initializefalse6、调用了ClassLoader 默认的loadClass方法
JVM类的卸载机制分为两个部分
使用Using卸载Unloading
2.11.1 类加载器
JVM提供了三种类加载器启动类加载器、扩展类加载器、应用程序类加载器、自定义类加载器。
启动类加载器Bootstrap ClassLoader 负责加载JAVA_HOME\lib目录中的或通过-Xbootclasspath指定路径中的且被JVM认可按文件识别例如 rt.jar的类。扩展类加载器Extension ClassLoader 负责加载JAVA_HOME\lib目录中的或通过java.ext.dirs系统变量指定路径中的类库。应用程序类加载器Application ClassLoader 负责加载用户路径classpath上的类库自定义类加载器 JVM通过双亲委派模型进行类的加载可以通过继承java.lang.ClassLoader实现自定义类加载器。
2.11.2 双亲委派模型
概念 当一个类收到类加载请求时首先将请求委派到父类加载器每一层类加载器都会委派到父类加载器所以最终所有的类加载请求都会到达启动类加载器当父类加载器响应无法处理请求自身加载路径下未找到所需加载的Class时子类加载器才尝试自行加载。优点 保证了不同的类加载器最终获得同一个Object对象。
2.11.3 OSGI动态模型系统
OSGI 提供了在多种网络设备中无需重启的动态改变构造的功能可以实现模块级的热插拔功能在程序升级更新时可以只停用、重新安装、启动程序部分模块但在提供模块化功能的同时也会额外引入高复杂度因为不遵循双亲委派模型。
