java基础知识总结二java虚拟机以及虚拟机调优

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wx6478627910485 2023-06-01 17:42:16 ©著作权

文章标签 java Java JVM 文章分类 HarmonyOS 后端开发

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我们在学习java的时候，离不开java虚拟机，所以了解Java虚拟机在后来的开发，寻找BUG的时候非常有用。并且对于代码调优也非常实用。

Java虚拟机

1:结构。

线程私有的：

程序计数器
Java虚拟机栈
本地方法栈

线程共享的：

Java堆
方法区
直接内存 (非运行时数据区的一部分)

2：介绍

（1）：程序计数器

序计数器是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时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，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器来完成。

另外，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

从上面的介绍中我们知道程序计数器主要有两个作用：

字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。

注意：程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域，它的生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡。

（2）：Java 虚拟机栈

与程序计数器一样，Java 虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期和线程相同，描述的是 Java 方法执行的内存模型，每次方法调用的数据都是通过栈传递的。

Java 内存可以粗糙的区分为堆内存（Heap）和栈内存 (Stack),其中栈就是现在说的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。（实际上，Java 虚拟机栈是由一个个栈帧组成，而每个栈帧中都拥有：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。）

局部变量表主要存放了编译器可知的各种数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference 类型，它不同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）。

Java 栈可用类比数据结构中栈，Java 栈中保存的主要内容是栈帧，每一次函数调用都会有一个对应的栈帧被压入 Java 栈，每一个函数调用结束后，都会有一个栈帧被弹出。

Java 方法有两种返回方式：

return 语句。
抛出异常。

不管哪种返回方式都会导致栈帧被弹出。

（3）：本地方法栈

和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是： 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。 在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一。

本地方法被执行的时候，在本地方法栈也会创建一个栈帧，用于存放该本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出口信息。

方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间，也会出现 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 两种错误。

（4）：堆

Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块，Java 堆是所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作GC 堆（Garbage Collected Heap）.从垃圾回收的角度，由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以 Java 堆还可以细分为：新生代和老年代：再细致一点有：Eden 空间、From Survivor、To Survivor 空间等。进一步划分的目的是更好地回收内存，或者更快地分配内存。

（5）：方法区

方法区与 Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，它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。虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开来。

（6）：运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有常量池信息（用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用）

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 错误。

（7）：直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用。而且也可能导致 OutOfMemoryError 错误出现。

区域	定义	作用	特点	抛出异常	备注
Java堆	堆内存 (Heap)	存放Java对象实例	线程共享，JVM内存中最大	OutOfMemoryError:	Java堆是垃圾回收机制的主要区域，从内存的角度可分为新生代，旧生代
Java虚拟机栈	栈内存（栈，Java方法执行的内存模型）	存储Java方法执行时的局部变量以栈堆得形式含数据类型，对象的引用，方法执行结束后释放	线程私有，生命周期和线程相同	OutOfMemoryError StackOverflowError	每个Java方法执行时都会创建一个栈帧一个方法从被调用到执行完成=一个栈帧在虚拟机栈中的入栈和出栈。局部变量所需内存空间在方法编译时就已分配完成，在方法运行时不会改变大小
本地方法栈	类似于Java虚拟机				与Java虚拟机的区别在于： Java虚拟机栈为执行Java方法服务本地方法栈为执行Native方法服务（简单地讲，一个Native Method就是一个java调用非java代码的接口。有时java应用需要与java外面的环境交互）
方法区	堆的一个逻辑部分	存储已被虚拟机加载的类信息，常量，静态变量等数据	线程共享	OutOfMemoryError	为了与Java堆区分，又称非堆区域该区域的内存回收主要是针对运行时常量池和对类的卸载
运行时常量池	方法区的一部分	存放类文件在编译时声称的各种字面量&符号引用	动态性（运行时也可添加新的常量，如String类的intern()）	OutOfMemoryError
程序计数器	当前线程所执行的字节码的行号指示器	实现异常处理，线程恢复等基础功能（通过改变计数器的值，来选取下一条执行的字符码指令）	线程私有，内存空间小	OutOfMemoryError	线程私有的内存区域，为了使得线程线程切换后恢复到正确的执行位置，每条线程都配有一个独立程序计数器，各线程互不影响，独立存储的内存区域。

2：对象的创建

（1）：Java对象的创建过程

类加载检查====》内存分配====》初始化零值====》设置对象头=====》执行init方法。

Step1:类加载检查

虚拟机遇到一条 new 指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载过、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。

Step2:分配内存

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。

Step3:初始化零值

内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），这一步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

Step4:设置对象头

初始化零值完成之后，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是那个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的 GC 分代年龄等信息。 这些信息存放在对象头中。 另外，根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

Step5:执行 init 方法

在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从 Java 程序的视角来看，对象创建才刚开始，<init> 方法还没有执行，所有的字段都还为零。所以一般来说，执行 new 指令之后会接着执行 <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全产生出来。

二：String 类和常量池

String 对象的两种创建方式：

String str1 = "abcd";//先检查字符串常量池中有没有"abcd"，如果字符串常量池中没有，则创建一个，然后 str1 指向字符串常量池中的对象，如果有，则直接将 str1 指向"abcd""；
String str2 = new String("abcd");//堆中创建一个新的对象
String str3 = new String("abcd");//堆中创建一个新的对象
System.out.println(str1==str2);//false
System.out.println(str2==str3);//false

这两种不同的创建方法是有差别的。

第一种方式是在常量池中拿对象；
第二种方式是直接在堆内存空间创建一个新的对象。

记住一点：只要使用 new 方法，便需要创建新的对象。

三虚拟机调优

JVM参数典型配置

/usr/local/jdk/bin/java 
-Dresin.home=/usr/local/resin 
-server 
-Xms1800M 
-Xmx1800M 
-Xmn300M 
-Xss512K 
-XX:PermSize=300M 
-XX:MaxPermSize=300M 
-XX:SurvivorRatio=8 
-XX:MaxTenuringThreshold=5 
-XX:GCTimeRatio=19 
-Xnoclassgc 
-XX:+DisableExplicitGC 
-XX:+UseParNewGC 
-XX:+UseConcMarkSweepGC
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0
-XX:-CMSParallelRemarkEnabled
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70
-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=0 
-XX:+PrintClassHistogram 
-XX:+PrintGCDetails 
-XX:+PrintGCTimeStamps 
-XX:+PrintHeapAtGC 
-Xloggc:log/gc.log

（1）：堆大小配置

JVM 中最大堆大小有三方面限制：相关操作系统的数据模型（32-bt还是64-bit）限制；系统的可用虚拟内存限制；系统的可用物理内存限制。32位系统下，一般限制在1.5G~2G；64为操作系统对内存无限制。

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g-Xss128k
-Xmx3550m：设置JVM最大可用内存为3550M。
-Xms3550m：设置JVM促使内存为3550m。此值可以设置与-Xmx相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。
-Xmn2g：设置年轻代大小为2G。整个堆大小=年轻代大小 + 年老代大小 + 持久代大小。持久代一般固定大小为64m，所以增大年轻代后，将会减小年老代大小。此值对系统性能影响较大，Sun官方推荐配置为整个堆的3/8。
-Xss128k：设置每个线程的堆栈大小。JDK5.0以后每个线程堆栈大小为1M，以前每个线程堆栈大小为256K。更具应用的线程所需内存大小进行调整。在相同物理内存下，减小这个值能生成更多的线程。但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的，不能无限生成，经验值在3000~5000左右。
java -Xmx3550m -Xms3550m -Xss128k -XX:NewRatio=4 -XX:SurvivorRatio=4 -XX:MaxPermSize=16m -XX:MaxTenuringThreshold=0
-XX:NewRatio=4:设置年轻代（包括Eden和两个Survivor区）与年老代的比值（除去持久代）。设置为4，则年轻代与年老代所占比值为1：4，年轻代占整个堆栈的1/5
-XX:SurvivorRatio=4：设置年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值。设置为4，则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:4，一个Survivor区占整个年轻代的1/6
-XX:MaxPermSize=16m:设置持久代大小为16m。
-XX:MaxTenuringThreshold=0：设置垃圾最大年龄。如果设置为0的话，则年轻代对象不经过Survivor区，直接进入年老代。对于年老代比较多的应用，可以提高效率。如果将此值设置为一个较大值，则年轻代对象会在Survivor区进行多次复制，这样可以增加对象再年轻代的存活时间，增加在年轻代即被回收的概论。

（2）：回收器选择

JVM给了三种选择：串行收集器、并行收集器、并发收集器，但是串行收集器只适用于小数据量的情况，所以这里的选择主要针对并行收集器和并发收集器。默认情况下，JDK5.0以前都是使用串行收集器，如果想使用其他收集器需要在启动时加入相应参数。JDK5.0以后，JVM会根据当前系统配置进行判断。

吞吐量优先的并行收集器

如上文所述，并行收集器主要以到达一定的吞吐量为目标，适用于科学技术和后台处理等。

java -Xmx3800m -Xms3800m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:ParallelGCThreads=20
-XX:+UseParallelGC：选择垃圾收集器为并行收集器。此配置仅对年轻代有效。即上述配置下，年轻代使用并发收集，而年老代仍旧使用串行收集。
-XX:ParallelGCThreads=20：配置并行收集器的线程数，即：同时多少个线程一起进行垃圾回收。此值最好配置与处理器数目相等。
java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:ParallelGCThreads=20 -XX:+UseParallelOldGC
-XX:+UseParallelOldGC：配置年老代垃圾收集方式为并行收集。JDK6.0支持对年老代并行收集。
java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:MaxGCPauseMillis=100
-XX:MaxGCPauseMillis=100:设置每次年轻代垃圾回收的最长时间，如果无法满足此时间，JVM会自动调整年轻代大小，以满足此值。
java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:MaxGCPauseMillis=100-XX:+UseAdaptiveSizePolicy
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy：设置此选项后，并行收集器会自动选择年轻代区大小和相应的Survivor区比例，以达到目标系统规定的最低相应时间或者收集频率等，此值建议使用并行收集器时，一直打开。

响应时间优先的并发收集器

如上文所述，并发收集器主要是保证系统的响应时间，减少垃圾收集时的停顿时间。适用于应用服务器、电信领域等。

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:ParallelGCThreads=20 -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC
-XX:+UseConcMarkSweepGC：设置年老代为并发收集。测试中配置这个以后，-XX:NewRatio=4的配置失效了，原因不明。所以，此时年轻代大小最好用-Xmn设置。
-XX:+UseParNewGC:设置年轻代为并行收集。可与CMS收集同时使用。JDK5.0以上，JVM会根据系统配置自行设置，所以无需再设置此值。
java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=5 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：由于并发收集器不对内存空间进行压缩、整理，所以运行一段时间以后会产生“碎片”，使得运行效率降低。此值设置运行多少次GC以后对内存空间进行压缩、整理。
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：打开对年老代的压缩。可能会影响性能，但是可以消除碎片

四：jvm 内存溢出问题排查方法

分析解决方法

思路
用visualVM工具分析堆快照
如果发生内存泄漏：
step1:找出泄漏的对象
step2:找到泄漏对象的GC Root
step3:根据泄漏对象和GC Root找到导致内存泄漏的代码
step4:想法设法解除泄漏对象与GCRoot的连接
如果不存在泄漏:

看下是否能增大jvm堆的最大容量

优化程序，减小对象的生命周期

前期准备
当发生堆溢出的时候，可以让程序在崩溃时产生一份堆内存快照
产生堆内存快照的方法：
给jvm加上参数XX:+HeapDumpOnOutofMemoryError，这样就会在程序崩溃的时候，产生一份堆内存快照
分析堆内存快照我建议用jdk自带的可视化监视工具visualVM，位置在jdk安装目录下的bin，如果是在Linux环境的话，可以把快照传到window。因为分析工具会占用很大的内存，不建议在服务端进行分析。

实战
下面对刚才程序产生的堆内存快照进行分析。
打开visualVM，装入刚刚生成的快照，打开类标签页
visualVM
队列和疯狂创建的对象几乎占满了整个栈，想要让垃圾收集器回收这些对象，要让他们与GC Root断开连接
双击HeapOOMTest类，跳转到实例标签页，可以查看这个类的所有实例
在实例上右键——显示最近的垃圾回收根节点，可以看到这个对象与根节点的连接
StackOverFlowError
只要断开HeapOOMTest对象与LinkedList的连接，这些疯狂创建的对象就会被收集了

栈溢出
调用方法的时候，会在栈中入栈一个栈帧，如果当前栈的容量不足，就会发生栈溢出StackOverFlowError
那么只要疯狂的调用方法，并且有意的不让栈帧出栈就可以导致栈溢出了。