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一篇文章了解Java虚拟机 Java虚拟机内存详解

时间:2018-09-29 16:57:49

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一篇文章了解Java虚拟机 Java虚拟机内存详解

虚拟机介绍

Java虚拟机(JVM)一种用于计算机设备的规范,可用不同的方式(软件或硬件)加以实现。编译虚拟机的指令集与编译微处理器的指令集非常类似。Java虚拟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法域。

Java虚拟机(JVM)是可运行Java代码的假想计算机。只要根据JVM规格描述将解释器移植到特定的计算机上,就能保证经过编译的任何Java代码能够在该系统上运行。

Java虚拟机是一个想象中的机器,在实际的计算机上通过软件模拟来实现。Java虚拟机有自己想象中的硬件,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。

Java虚拟机规范定义了一个抽象的——而非实际的——机器或处理器。这个规范描述了一个指令集,一组寄存器,一个堆栈,一个“垃圾堆”,和一个方法区。一旦一个Java虚拟机在给定的平台上运行,任何Java程序(编译之后的程序,称作字节码)都能在这个平台上运行。Java虚拟机(JVM)可以以一次一条指令的方式来解释字节码(把它映射到实际的处理器指令),或者字节码也可以由实际处理器中称作just-in-time的编译器进行进一步的编译。

如何有效的内存管理,JVM垃圾回收机制

标记垃圾的算法

引用计数法

引用计数法就是给对象中添加一个引用计数器,每当有一个地方引用它,计数器就加 1;当引用失效,计数器就减 1;任何时候计数器为 0 的对象就是不可能再被使用的,可以当做垃圾收集。这种方法实现起来很简单而且优缺点都很明显。

优点执行效率高,程序执行受影响较小

缺点无法检测出循环引用的情况,导致内存泄露

可达性分析算法

这个算法的基本思想就是通过一系列的称为 “GC Roots” 的对象作为起点,从这些节点开始向下搜索,节点所走过的路径称为引用链,当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连的话,则证明此对象是不可用的。

那么什么对象可以作为GCRoot?

虚拟机栈中的引用对象方法区中的常量引用对象方法区中的类静态属性引用对象本地方法栈中的引用对象活跃线程中的引用对象

在可达性分析法中不可达的对象,它们暂时处于“缓刑阶段”,要真正宣告一个对象死亡,至少要经历两次标记过程;可达性分析法中不可达的对象被第一次标记并且进行一次筛选,筛选的条件是此对象是否有必要执行 finalize 方法。当对象没有覆盖 finalize 方法,或 finalize 方法已经被虚拟机调用过时,虚拟机将这两种情况视为没有必要执行。被判定为需要执行的对象将会被放在一个队列中进行第二次标记,除非这个对象与引用链上的任何一个对象建立关联,否则就会被真的回收。

垃圾回收算法

标记清除算法

该算法分为“标记”和“清除”两个阶段:标记阶段的任务是标记出所有需要被回收的对象,清除阶段就是回收被标记的对象所占用的空间。它是最基础的收集算法,效率也很高,但是会带来两个明显的问题:

效率问题空间问题(标记清除后会产生大量不连续的碎片)

复制算法

为了解决效率问题,我们开发出了复制算法。它可以将内存分为大小相同的两块,每次使用其中的一块。当第一块的内存使用完后,就将还存活的对象复制到另一块去,然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的一半进行回收。

简单来说就是该对象分为对象面以及空闲面,对象在对象面上创建,对象面上存活的对象会被复制到空闲面,接下来就可以清除对象面的内存。

这种算法的优缺点也比较明显

**优点:**解决碎片化问题,顺序分配内存简单高效

**缺点:**只适用于存活率低的场景,如果极端情况下如果对象面上的对象全部存活,就要浪费一半的存储空间。

标记整理算法

为了解决复制算法的缺陷,充分利用内存空间,提出了标记整理算法。该算法标记阶段和标记清除一样,但是在完成标记之后,它不是直接清理可回收对象,而是将存活对象都向一端移动,然后清理掉端边界以外的内存。

分代收集算法

当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法,这种算法就是根据具体的情况选择具体的垃圾回收算法。一般将 java 堆分为新生代和老年代,这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

比如在新生代中,每次收集都会有大量对象死去,所以可以选择复制算法,只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。而老年代的对象存活几率是比较高的,而且没有额外的空间对它进行分配担保,所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集。

Java虚拟机运行时数据区

方法区:

方法区在JDK1.8之后把名字改成了“Metaspace",可以翻译成"元数据空间",这是一块线程共享的内存空间,主要用于存储已被虚拟机加载的类信息,常量,静态变量,即时编译器编译后的代码等数据。

Java虚拟机规范将方法区描述为堆的一个逻辑部分,但它有一个别名”Non-Heap 非堆“ 用于与Java堆区分。

很多人愿意把方法区成为”永久代“,本质上两者并不等价。HotSpot虚拟机 团队选择把GC分代收集扩展至方法区,或者说使用永久带实现方法区而已。

方法区存在的问题:

永久代容易遇到内存溢出问题(HotSpot永久代有-XX:MaxPermSize上限)

当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常

运行时常量池也是方法区的一个部分,主要用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用。类加载后会进入方法区的运行时常量池

运行时常量池存在的问题:

当常量池无法再申请到内存空间时会抛出OutOfMemoryError异常

虚拟机栈

虚拟机栈是线程私有的内存空间,其生命周期与线程相同,是用于Java方法执行的内存模型。方法执行时会创建栈帧,用于存储局部变量表,操作数栈,动态链接,方法出口等。

虚拟机栈存在的问题:

线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度,抛出StackOverflowError异常

虚拟机栈动态扩展时无法申请到足够的内存,抛出OutOfMemoryError异常

本地方法栈

其发挥的作用和存在的问题与Java虚拟机栈类似,这里主要说一下其区别。其区别主要是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务,而本地方法栈为虚拟机使用到Native方法服务。

知识点:Hotspot虚拟机中将本地方法栈与虚拟机栈合二为一。

Java堆

Java堆是虚拟机中占内存最大的一块内存空间,是所有线程共享的内存区域,当虚拟机启动的时候就会创建。它的作用主要是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。我们来看下Java虚拟机规范是怎么描述它的:

所有的对象实例以及数组都要在堆上分配,但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生,所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不是那么”绝对“了。

这一块内存空间也是垃圾收集器管理的主要区域,所以有时候也被称为”GC堆“。

Java堆存在的问题:

如果在堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemoryError异常。

程序计数器

程序计数器是线程私有的一块占用较小的内存空间,主要用于记录当前线程执行到哪里了。而且这也是唯一一个没有内存溢出的区域。

直接内存

除了以上几块内存空间外,还有一块内存空间就是直接内存,它不属于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,但是这部分频繁使用也可能导致OutOfMemoryError异常。NIO可以使用Native函数库直接分配堆外内存空间。

虚拟机如何配置

1、-Xmixed mixed mode execution (default)

混合模式执行

2、-Xint interpreted mode execution only

解释模式执行

3、-Xbootclasspath:<directories and zip/jar files separated by ;>

set search path for bootstrap classes and resources

设置zip/jar资源或者类(.class文件)存放目录路径

3、-Xbootclasspath/a:<directories and zip/jar files separated by ;>

append to end of bootstrap class path

追加zip/jar资源或者类(.class文件)存放目录路径

4、-Xbootclasspath/p:<directories and zip/jar files separated by ;>

prepend in front of bootstrap class path

预先加载zip/jar资源或者类(.class文件)存放目录路径

5、-Xnoclassgc disable class garbage collection

关闭类垃圾回收功能

6、-Xincgc enable incremental garbage collection

开启类的垃圾回收功能

7、-Xloggc: log GC status to a file with time stamps

记录垃圾回日志到一个文件。

8、-Xbatch disable background compilation

关闭后台编译

9、-Xms set initial Java heap size

设置JVM初始化堆内存大小

10、-Xmx set maximum Java heap size

设置JVM最大的堆内存大小

11、-Xss set java thread stack size

设置JVM栈内存大小

12、-Xprof output cpu profiling data

输入CPU概要表数据

13、-Xfuture enable strictest checks, anticipating future default

执行严格的代码检查,预测可能出现的情况

14、-Xrs reduce use of OS signals by Java/VM (see documentation)

通过JVM还原操作系统信号

15、-Xcheck:jni perform additional checks for JNI functions

对JNI函数执行检查

16、-Xshare:off do not attempt to use shared class data

尽可能不去使用共享类的数据

17、-Xshare:auto use shared class data if possible (default)

尽可能的使用共享类的数据

18、-Xshare:on require using shared class data, otherwise fail.

尽可能的使用共享类的数据,否则运行失败

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