Java Virtual Mechine
About JVM
- 内存划分
- 堆内存分配
VM初始分配的内存由-Xms指定，默认是物理内存的1/64；JVM最大分配的内存由-Xmx指 定，默认是物理内存的1/4。默认空余堆内存小于40%时，JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制；空余堆内存大于70%时，JVM会减少堆直到 -Xms的最小限制。因此服务器一般设置-Xms、-Xmx相等以避免在每次GC 后调整堆的大小。对象的堆内存由称为垃圾回收器的自动内存管理系统回收。
组成 | 详解 |
Young Generation | 即图中的Eden + Survivor （From Space + To Space） |
Eden | 存放新生的对象，也是主要对象存放位置 |
Survivor Space | 有两个，存放每次垃圾回收后存活的对象，总会存在一个为空 |
Old Generation | Tenured Generation 即图中的Old Space 主要存放应用程序中生命周期长的存活对象 |
About GC
- Java 内存区域和GC机制 比较详细的介绍了JVM的内存区域划分，以及GC机制
- 成为JavaGC专家系列
对象存活
- 引用计数
对象新增一个引用，那么计数增1. - 可达性分析
从GC roots 开始向下搜索，经历的链路成为引用链，没有被引用链关联的引用，为不可用对象。
Java中GC Roots:
- 虚拟机栈中引用的对象。
- 方法区中静态属性引用的对象。
- 方法区中常量引用的对象。
- 本地方法栈中JNI引用的对象。
GC 算法
- Mark-Sweep 标记-清除
缺点： 效率较低；碎片化严重。 - Copy 复制算法
缺点： 持续复制，效率低。 - Mark-Compact 标记-压缩(老年代使用)
GC Collectors
- Serial
有点古老，串行收集，在多cpu，多core的今天，已经渐渐被淘汰：
参数控制： -XX：+UseSerialGC - ParNew
Serial 的多线程版本，新生代并行，复制算法，老年代串行，标记-压缩算法。
参数控制： -XX:+UseParNewGC; -XX:ParallelGCThreads 线程数量。 - Parallel Scavenge
类似ParNew,他关注的系统的吞吐量，也可以通过参数实现自适应性调节控制。新生代复制算法，老年代标记-压缩算法。 - Parallel Old
since jdk 1.6
多线程 + 标记-整理算法
参数控制： -XX:+UseParallelOldGC
- CMS Concurrent Mark Sweep
一种以最短停顿为目标的收集器
- 初始标记（initial mark） stop-the-world,标记gc roots 直接关联对象。
- 并发标记（concurrent mark）trace gc roots
- 重新标记（remark） stop-the-world
- 并发清除（concurrent sweep）
优点：并发收集，低停顿；
缺点：大量碎片；并发阶段；
参数控制： -XX:+UseConcMarkSweepGC,-XX:+ UseCMSCompactAtFullCollection 在Full GC后，进行一次碎片整理；整理过程是独占的，会引起停顿时间变长.
- Garbage First
- 空间整合，G1收集器采用标记整理算法，不会产生内存空间碎片。分配大对象时不会因为无法找到连续空间而提前触发下一次GC。
- 可预测停顿，这是G1的另一大优势，降低停顿时间是G1和CMS的共同关注点，但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N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，这几乎已经是实时Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了。
内存分为多个大小相等的独立区域(Region)
- 收集步骤：
- 标记阶段，首先初始标记(Initial-Mark),这个阶段是停顿的(Stop the World Event)，并且会触发一次普通Mintor GC。对应GC log:GC pause (young) (inital-mark)。
- Root Region Scanning，程序运行过程中会回收survivor区(存活到老年代)，这一过程必须在young GC之前完成。
- Concurrent Marking，在整个堆中进行并发标记(和应用程序并发执行)，此过程可能被young GC中断。在并发标记阶段，若发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那个这个区域会被立即回收(图中打X)。同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性(区域中存活对象的比例)。
- Remark, 再标记，会有短暂停顿(STW)。再标记阶段是用来收集 并发标记阶段 产生新的垃圾(并发阶段和应用程序一同运行)；G1中采用了比CMS更快的初始快照算法:snapshot-at-the-beginning (SATB)。
- Copy/Clean up，多线程清除失活对象，会有STW。G1将回收区域的存活对象拷贝到新区域，清除Remember Sets，并发清空回收区域并把它返回到空闲区域链表中。
- 复制/清除过程后。回收区域的活性对象已经被集中回收到深蓝色和深绿色区域。
About Monitor
jstat
HotSpot JVM 提供的一个监控工具，不仅提供GC操作的信息，还有提供类装载操作的信息以及运行时便已操作对的信息。
- 使用方法 -> jstat -[option] [other-option] [interval] [times] ; 【jvmId】的获取 ps -ef | grep java
- 输入参数 option
参数 | 描述 |
gc | 输出每个堆区域的当前可用空间以及已用空间（Eden，Survivor等等），GC执行的总次数，GC操作累计所花费的时间。 |
gccapacity | 输出每个堆区域的最小空间限制（ms）/最大空间限制（mx），当前大小，每个区域之上执行GC的次数。（不输出当前已用空间以及GC执行时间）。 |
gccause | 输出-gcutil提供的信息以及最后一次执行GC的发生原因和当前所执行的GC的发生原因 |
gcnew | 输出Young的GC性能 |
gcnewcapacity | Young空间大小的统计 |
gcold | OLD 空间GC性能 |
gcoldcapacity | OLD空间大小的统计 |
gcpermcapacity | perm大小的统计 |
gcutil | 输出每个堆区域使用占比，以及gc执行的总次数和GC操作所花费的时间 |
- 输出数据介绍 ：
- S0/S1/E/O/P [C/U] - 对应区域的空间大小和使用量，单位KB，
- YGC/FGC[-/T] - GC的统计次数、时间
- NGC/OGC/PGC[/MN/MX] 对应区域当前大小/最小值/最大值
- GCC/LGCC 当前/最后一次GC的原因
- TT 老年化阈值，在移动向老年代之前，能够在新生代存活次数。
- MTT 最大老年化阈值，同上。
- DSS 幸存者所需要的空间大小，单位KB
其中：
C - capacity 空间大小
U - used 使用量
T - 对应GC时间
- other-option
- -hn 展示每次输出数据的前n行。 -h3 只显示前3行。
补充JVM的一些相关知识
Java是一种技术，它由四方面组成：Java编程语言、Java类文件格式、Java虚拟机和Java应用程序接口(Java API)。它们的关系如下图所示：
Java平台由Java虚拟机和Java应用程序接口搭建，Java语言则是进入这个平台的通道，用Java语言编写并编译的程序可以运行在这个平台上。这个平台的结构如下图所示： 运行期环境代表着Java平台，开发人员编写Java代码(.java文件)，然后将之编译成字节码(.class文件)，再然后字节码被装入内存，一旦字节码进入虚拟机，它就会被解释器解释执行，或者是被即时代码发生器有选择的转换成机器码执行。
JVM在它的生存周期中有一个明确的任务，那就是运行Java程序，因此当Java程序启动的时候，就产生JVM的一个实例；当程序运行结束的时候，该实例也跟着消失了。 在Java平台的结构中, 可以看出，Java虚拟机(JVM) 处在核心的位置，是程序与底层操作系统和硬件无关的关键。它的下方是移植接口，移植接口由两部分组成：适配器和Java操作系统, 其中依赖于平台的部分称为适配器；JVM 通过移植接口在具体的平台和操作系统上实现；在JVM 的上方是Java的基本类库和扩展类库以及它们的API， 利用Java API编写的应用程序(application) 和小程序(Java applet) 可以在任何Java平台上运行而无需考虑底层平台, 就是因为有Java虚拟机(JVM)实现了程序与操作系统的分离，从而实现了Java 的平台无关性。
下面我们从JVM的基本概念和运过程程这两个方面入手来对它进行深入的研究。
2.JVM基本概念
(1) 基本概念：
JVM是可运行Java代码的假想计算机 ，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 一个存储方法域。JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。
(2) 运行过程：
我们都知道Java源文件，通过编译器，能够生产相应的.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 。
也就是如下：
① Java源文件—->编译器—->字节码文件
② 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，这也就是Java为什么能够跨平台的原因了 ，当一个程序从开始运行，这时虚拟机就开始实例化了，多个程序启动就会存在多个虚拟机实例。程序退出或者关闭，则虚拟机实例消亡，多个虚拟机实例之间数据不能共享。
(3) 三种JVM:
① Sun公司的HotSpot；
② BEA公司的JRockit；
③ IBM公司的J9 JVM；
在JDK1.7及其以前我们所使用的都是Sun公司的HotSpot，但由于Sun公司和BEA公司都被oracle收购，jdk1.8将采用Sun公司的HotSpot和BEA公司的JRockit两个JVM中精华形成jdk1.8的JVM。
3.JVM的体系结构
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(1) Class Loader类加载器
负责加载 .class文件，class文件在文件开头有特定的文件标示，并且ClassLoader负责class文件的加载等，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。
① 定位和导入二进制class文件
② 验证导入类的正确性
③ 为类分配初始化内存
④ 帮助解析符号引用.
(2) Native Interface本地接口:
本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序，Java诞生的时候C/C++横行的时候，要想立足，必须有调用C/C++程序，于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native的代码，它的具体作法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载native libraies。
目前该方法使用的越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java程序驱动打印机，或者Java系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见。
因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用Socket通信，也可以使用Web Service等。
(3) Execution Engine 执行引擎：执行包在装载类的方法中的指令，也就是方法。
(4) Runtime data area 运行数据区:
虚拟机内存或者Jvm内存，冲整个计算机内存中开辟一块内存存储Jvm需要用到的对象，变量等，运行区数据有分很多小区，分别为：方法区，虚拟机栈，本地方法栈，堆，程序计数器。
4.JVM数据运行区详解（栈管运行，堆管存储）：
说明：JVM调优主要就是优化 Heap堆 和 Method Area 方法区。
(1) Native Method Stack本地方法栈
它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载native libraies。
(2) PC Register程序计数器
每个线程都有一个程序计算器，就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（下一个将要执行的指令代码），由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不记。
(3) Method Area方法区
方法区是被所有线程共享，所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在此定义。简单说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，此区域属于共享区间。
静态变量+常量+类信息+运行时常量池存在方法区中，实例变量存在堆内存中。
(4) Stack 栈
① 栈是什么
栈也叫栈内存，主管Java程序的运行，是在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就Over，生命周期和线程一致，是线程私有的。
基本类型的变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分配。
② 栈存储什么？
栈帧中主要保存3类数据：
本地变量（Local Variables）：输入参数和输出参数以及方法内的变量；
栈操作（Operand Stack）：记录出栈、入栈的操作；
栈帧数据（Frame Data）：包括类文件、方法等等。
③ 栈运行原理
栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在，栈帧是一个内存区块，是一个数据集，是一个有关方法和运行期数据的数据集，当一个方法A被调用时就产生了一个栈帧F1，并被压入到栈中，A方法又调用了B方法，于是产生栈帧F2也被压入栈，B方法又调用了C方法，于是产生栈帧F3也被压入栈…… 依次执行完毕后，先弹出后进......F3栈帧，再弹出F2栈帧，再弹出F1栈帧。
遵循“先进后出”/“后进先出”原则。
(5) Heap 堆
堆这块区域是JVM中最大的，应用的对象和数据都是存在这个区域，这块区域也是线程共享的，也是 gc 主要的回收区，一个 JVM 实例只存在一个堆类存，堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后，需要把类、方法、常变量放到堆内存中，以方便执行器执行，堆内存分为三部分：
① 新生区
新生区是类的诞生、成长、消亡的区域，一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。新生区又分为两部分：伊甸区（Eden space）和幸存者区（Survivor pace），所有的类都是在伊甸区被new出来的。幸存区有两个：0区（Survivor 0 space）和1区（Survivor 1 space）。当伊甸园的空间用完时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园进行垃圾回收（Minor GC）,将伊甸园中的剩余对象移动到幸存0区。若幸存0区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到1区。那如果1去也满了呢？再移动到养老区。若养老区也满了，那么这个时候将产生Major GC（FullGCC），进行养老区的内存清理。若养老区执行Full GC 之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常“OutOfMemoryError”。
如果出现java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space异常，说明Java虚拟机的堆内存不够。原因有二：
a.Java虚拟机的堆内存设置不够，可以通过参数-Xms、-Xmx来调整。
b.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）。
② 养老区
养老区用于保存从新生区筛选出来的 JAVA 对象，一般池对象都在这个区域活跃。
③ 永久区
永久存储区是一个常驻内存区域，用于存放JDK自身所携带的 Class,Interface 的元数据，也就是说它存储的是运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭 JVM 才会释放此区域所占用的内存。
如果出现java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space，说明是Java虚拟机对永久代Perm内存设置不够。原因有二：
a. 程序启动需要加载大量的第三方jar包。例如：在一个Tomcat下部署了太多的应用。
b. 大量动态反射生成的类不断被加载，最终导致Perm区被占满。
说明：
Jdk1.6及之前：常量池分配在永久代 。
Jdk1.7：有，但已经逐步“去永久代” 。
Jdk1.8及之后：无(java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,这种错误将不会出现在JDK1.8中)。
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说明：方法区和堆内存的异议：
实际而言，方法区和堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储虚拟机加载的：类信息+普通常量+静态常量+编译器编译后的代码等等，虽然JVM规范将方法区描述为堆的一个逻辑部分，但它却还有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的就是要和堆分开。
对于HotSpot虚拟机，很多开发者习惯将方法区称之为“永久代（Parmanent Gen）”,但严格本质上说两者不同，或者说使用永久代来实现方法区而已，永久代是方法区的一个实现，jdk1.7的版本中，已经将原本放在永久代的字符串常量池移走。
常量池（Constant Pool）是方法区的一部分，Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息就是常量池，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。
5.堆内存调优简介
代码测试：
[java] view plain copy
- <span style="font-family:'Microsoft YaHei';font-size:14px;">public class JVMTest {
- public static void main(String[] args){
- long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();//返回Java虚拟机试图使用的最大内存量。
- //返回Java虚拟机中的内存总量。
- "MAX_MEMORY ="+maxMemory +"(字节)、"+(maxMemory/(double)1024/1024) + "MB");
- "TOTAL_ MEMORY = "+totalMemory +"(字节)"+(totalMemory/(double)1024/1024) + "MB");
- }
- }</span>
说明：在Run as ->Run Configurations中输入"-XX:+PrintGCDetails"可以查看堆内存运行原理图：
(1) 在jdk1.7中：
(2) 在jdk1.8中:
6.通过参数设置自动触发垃圾回收：
public class JVMTest {
public static void main(String[] args){
long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();//返回Java虚拟机试图使用的最大内存量。
Long totalMemory = Runtime. getRuntime().totalMemory();//返回Java虚拟机中的内存总量。
System.out.println("MAX_MEMORY ="+maxMemory +"(字节)、"+(maxMemory/(double)1024/1024) + "MB");
System.out.println("TOTAL_ MEMORY = "+totalMemory +"(字节)"+(totalMemory/(double)1024/1024) + "MB");
String str = "www.baidu.com";
while(true){
88888888) + new Random().nextInt(99999999);
}
}
}
在Run as ->Run Configurations中输入设置“-Xmx8m –Xms8m –xx:+PrintGCDetails”可以参看垃圾回收机制原理:
