學習筆記-（java虛擬機）

時間：2023-06-26 03:09:01 | 來源：網(wǎng)站運營

時間：2023-06-26 03:09:01 來源：網(wǎng)站運營

學習筆記-（java虛擬機）：

JVM定義及作用：

JVM是java Virtual Machine （java 虛擬機），是一個虛擬計算機，也是java程序是愛杭州跨平臺的基礎。其作用是加載Java程序，將字節(jié)碼翻譯成機器碼再交給CPU執(zhí)行的虛擬計算機。

JVM的主要組成：

• 類加載器（ClassLoader）
• 運行時數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Area）
• 執(zhí)行引擎（Execution Engine）
• 本地庫接口（Native Interface）

工作流程：

首先程序在執(zhí)行前將java代碼（.java）轉(zhuǎn)變成字節(jié)碼（.class），JVM通過；類加載器將字節(jié)碼加載到內(nèi)存中，由于字節(jié)碼文件是JVM的一套指令集規(guī)范，并不能直接交給底層操作系統(tǒng)執(zhí)行，因此需要特定的命令解析器執(zhí)行引擎將字節(jié)碼翻譯成底層的機器碼，再交給CPU執(zhí)行，CPU執(zhí)行過程中需要調(diào)用本地庫接口來完成整個程序的運行。

JVM的內(nèi)存布局：

不同的虛擬機存在不同，但都會遵循java虛擬機規(guī)范。java 8虛擬機規(guī)范規(guī)定，內(nèi)存布局包括以下幾個區(qū)域：

• 程序計數(shù)器（Program Counter Register）
• java虛擬機棧（java Virtual Machine Stacks）
• 本地方法棧（Native Method Stack）
• java堆（java Heap）
• 方法區(qū)（Method Area）

1.程序計數(shù)器

記錄正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指令的地址（如果正在執(zhí)行的是native方法，該計數(shù)器的值為undefined）。此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在java虛擬機規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。

線程私有。由于java虛擬機的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時間的方式實現(xiàn)的。為了線程切換后能恢復到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要一個獨立的程序計數(shù)器，各線程之間的計數(shù)器互不影響，獨立存儲。

2.java虛擬機棧

每個java方法在執(zhí)行的同時會創(chuàng)建一個棧幀用來存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。從方法調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，對應著一個棧幀在java虛擬機棧中入棧和出棧的過程。線程私有，生命周期與線程相同。

該區(qū)域有兩種異常：

• StackOverflowError：當線程請求的棧深度超過最大值
• OutOfMemoryError：虛擬機棧擴展到無法申請足夠的內(nèi)存時

3.本地方法棧

類似于java虛擬機棧，區(qū)別是本地方法棧服務于本地方法。

4.java堆

java堆是java虛擬機中內(nèi)存最大的一塊。在虛擬機啟動時創(chuàng)建，被所有線程共享。

存放對象實例。垃圾收集器主要管理的就是java堆。

現(xiàn)在的垃圾收集器基本采用分代收集算法，主要思想是針對不同類型的對象采取不同的垃圾回收算法，java堆可以分為兩塊：

• 新生代（Yong Generation）
• 老年代（Old Generation）

動態(tài)擴展內(nèi)存失敗會拋出OutOfMemoryError異常。

5.方法區(qū)

被所有線程共享，用于存放已被加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等信息。

動態(tài)擴展內(nèi)存失敗會拋出OutOfMemoryError異常。

運行時常量池是方法區(qū)的一部分。保存Class文件中的符號引用、翻譯出來的直接引用。

垃圾收集

垃圾收集主要針對java堆和方法區(qū)。

1.判斷一個對象是否可被回收

• 引用計數(shù)算法：給對象添加引用計數(shù)器，增加引用+1，引用失效-1。引用計數(shù)為0的對象可以被回收。（容易出現(xiàn)循環(huán)引用問題）
• 可達性分析算法：以GC Roots為起點進行搜索，可達的對象是存活的，不可達的對象可被回收。GC Roots 一般包括：
• 虛擬機棧中局部變量表中引用的對象
• 本地方法棧中JNI（java本地接口）中引用的對象
• 方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對象
• 方法區(qū)中常量引用的對象

2.java的4中引用方式

• 強引用（Strong Reference）：被強引用關聯(lián)的對象不會被回收。 Object obj=new Object()；
• 軟引用（Soft Reference）：被軟引用關聯(lián)的對象只有在內(nèi)存不夠的情況下被回收。
• 弱引用（Weak Reference）：被弱引用關聯(lián)的對象只能活到下一次垃圾回收發(fā)生之前。
• 虛引用（Phantom Reference）：為對象設置虛引用的目的是在這個對象被回收時收到一個系統(tǒng)通知。

3.垃圾回收算法

• 標記-清除算法（Mark-Sweep）：首先標記處所有需要回收的對象，之后統(tǒng)一回收被標記的對象。效率低，標記清除后會產(chǎn)生大量的不連續(xù)的內(nèi)存碎片。
• 復制算法（Copying）-新生代：將可用內(nèi)存劃分成大小相等的兩塊，每次只使用一塊。當這塊內(nèi)存用完，將存活的對象復制到另一塊，飯后將使用過的內(nèi)存空間一次清理。
• 現(xiàn)在的商業(yè)虛擬機都采用這種復制算法回收新生代，但是并不是劃分為大小相等的兩塊，而是一塊較大的 Eden 空間和兩塊較小的 Survivor 空間（8:1:1），每次使用 Eden 和其中一塊 Survivor。在回收時，將 Eden 和 Survivor 中還存活著的對象全部復制到另一塊 Survivor 上，最后清理 Eden 和使用過的那一塊 Survivor。
• 標記-整理算法（Mark-Compact）-老年代：讓所有存活的對象向一端移動，然后直接清理掉邊界外的內(nèi)存。
• 分代收集算法：根據(jù)對象的存貨周期，將內(nèi)存劃分為幾塊。一般將java堆劃分為新生代和老年代。
• 新生代：復制算法
• 老年代：標記-清除算法 / 標記-整理算法

垃圾收集器

• Serial 收集器：這是一個以串行的方式單線程收集器。它只會使用一個CPU或一條收集線程去完成收集工作，并且在進行垃圾回收是必須暫停其他所有工作線程直到收集結束。
• ParNew收集器：Serial收集器的多線程版本。
• 并行：Parallel指多條垃圾收集線程并行工作，此時用戶線程處于等待狀態(tài)。
• 并發(fā)：Concurrent指用戶線程和垃圾回收線程同時執(zhí)行，用戶進程在執(zhí)行，而垃圾回收線程在另一個CPU上執(zhí)行。
• Parallel Scavenge收集器：并行的多線程收集器，使用復制算法。吞吐量優(yōu)先收集器。
• GC自適應調(diào)整策略：不需要手動指定新生代的大小及比例、晉升老年代的年齡等參數(shù)，虛擬機會根據(jù)當前系統(tǒng)的運行情況收集性能監(jiān)控信息，動態(tài)調(diào)整這些參數(shù)以提供最合適的停頓時間、最大的吞吐量。
• Serial Old收集器：使用標記-整理算法
• Parallel Old收集器：使用標記-整理算法
• CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：是一種以獲取最短回收停頓時間為目標的收集器。基于標記-清除算法實現(xiàn)。
• 初始標記（CMS initial mark）：標記GC Roots能直接關聯(lián)到的對象，停頓
• 并發(fā)標記（CMS concurrent mark）：進行GC Roots Tracing ，不用停頓
• 重新標記（CMS remark）：修正并發(fā)標記期間的變動部分，停頓
• 并發(fā)清除（CMS concurrent sweep）：不需要停頓
• G1收集器：面向服務端的垃圾回收器。并行與并發(fā)、分代回收、空間整合、可預測停頓、G1將堆劃分成多個大小相等的獨立區(qū)域（Region）。
• 初始標記（initial mark）
• 并發(fā)標記（concurrent mark）
• 最終標記（final mark）
• 篩選回收（live data counting and evacuation）

Minor GC 和Full GC：

• Minor GC：回收新生代，新生代對象存活時間短，因此Minor GC會頻繁執(zhí)行，速度快。
• Full GC：回收老年代和新生代，老年代對象存活時間長，因此Full GC很少執(zhí)行，速度慢。

Full GC的觸發(fā)條件

1. 調(diào)用System.gc()：不建議使用
2. 老年代空間不足
3. 空間分配擔保失敗
4. JDK1.7及之前的永久代空間不足
5. Concurrent Mode Failure （CMS GC工程中老年代空間不足）

內(nèi)存分配策略

1. 對象優(yōu)先在Eden分配
2. 大對象直接進入老年代
3. 長期存活的對象進入老年代
4. 動態(tài)對象年齡判定：在Survivor中相同年齡所有對象總和大于Survivor空間的一半，則年齡大于等于該年齡的對象直接進入老年代。
5. 空間分配擔保：在發(fā)生Minor GC之前，虛擬機先檢查老年代最大可用連續(xù)空間是否大于新生代所有對象總空間，如果條件成立，Minor GC確認安全；如果不成立，虛擬機查看HandlePromotionFailure的值是否允許擔保失敗，如果允許繼續(xù)檢查老年代最大可用的連續(xù)空間是否大于歷次晉升到老年代對象的平均大小，如果大于嘗試進行Minor GC；如果小于或不允許冒險，就進行Full GC。

類加載器

類是在運行期間第一次使用時動態(tài)加載的，而不是一次性加載所有類。

類加載過程包括加載、驗證、準備、解析、初始化這5個階段。

1.加載

• 通過類的完全限定名稱獲取定義該類的二進制字節(jié)流。
• 將該字節(jié)流表示的靜態(tài)存儲結構轉(zhuǎn)換為方法區(qū)的運行時存儲結構。
• 在內(nèi)存中生成一個代表該類的Class對象，作為方法區(qū)中該類各種數(shù)據(jù)的訪問入口。

2.驗證

確保Class文件的字節(jié)流中包含的信息符合當前虛擬機的要求，并不會威海虛擬機的安全。

3.準備

• 類變量是被static修飾的變量，準備階段為類變量分配內(nèi)存并設置初始值，使用的是方法區(qū)的內(nèi)存。
• 實例變量不會在該階段分配內(nèi)存，它會在對象實例化時隨著對象一起被分配在堆中。

4.解析

虛擬機將常量池中的符號引用替換為直接引用。

5.初始化

開始執(zhí)行類中定義的java程序代碼。初始化階段是虛擬機執(zhí)行類構造器<clinit>()方法的過程。

雙親委派模型

如果一個類加載器收到一個類加載的請求，首先將類加載請求轉(zhuǎn)發(fā)到父類加載器，只有當父類加載器無法完成時才嘗試自己加載。

java內(nèi)存模型

并發(fā)注意操作的原子性、可見性、有序性。

• 原子性：基本數(shù)據(jù)類型的操作是原子性的。同時 lock 和 unlock 可以保證更大范圍操作的原子性。而 synchronize 同步塊操作的原子性是用更高層次的字節(jié)碼指令 monitorenter 和 monitorexit 來隱式操作的。
• 可見性：是指當一個線程修改了共享變量的值，其他線程也能夠立即得知這個通知。主要操作細節(jié)就是修改值后將值同步至主內(nèi)存(volatile 值使用前都會從主內(nèi)存刷新)，除了 volatile 還有 synchronize 和 final 可以保證可見性。
• 有序性：線程內(nèi)表現(xiàn)為串行的語義，“指令重排”現(xiàn)象和“工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象。Java 語言通過 volatile 和 synchronize 兩個關鍵字來保證線程之間操作的有序性。

volatile

關鍵字volatile是java虛擬機提供的最輕量級的同步機制。

happens-before（先行發(fā)生原則）

這個原則是判斷數(shù)據(jù)是否存在競爭、線程是否安全的主要依據(jù)。先行發(fā)生是 Java 內(nèi)存模型中定義的兩項操作之間的偏序關系。

java線程

線程狀態(tài)轉(zhuǎn)換

• 新建（new）：創(chuàng)建后尚未啟動。調(diào)用start（）方法開始運行。
• 運行（Runnable）：包括了操作系統(tǒng)線程狀態(tài)中的Running和Ready，正在執(zhí)行或等待CPU分配時間。
• 無限期等待（Waiting）：這種狀態(tài)下的線程不會被CPU分配時間， 等待其他線程顯示喚醒。以下方法會使線程進入無限期等待狀態(tài)：
• 沒有設置Timeout參數(shù)的Object.wait()方法；
• 沒有設置Timeout參數(shù)的Thread.join()方法；
• LookSupport.park()方法。
• 限期等待（Timed Waiting）：在一定時間后由系統(tǒng)自動喚醒。以下方法會使線程進入限期等待狀態(tài)：
• Thread.sleep（）方法；
• 設置了Timeout參數(shù)的Object.wait()方法；
• 設置了Timeout參數(shù)的Thread.join()方法；
• LookSupport.parkNanos()方法
• LookSupport.parkUntil()方法。
• 阻塞（Blocked）：阻塞狀態(tài)是在等待獲取一個排他鎖，這個事件會在另一個線程放棄這個鎖的同時發(fā)生。在程序等待進入同步區(qū)域的時候，線程進入阻塞狀態(tài)。
• 結束（Terminated）：已終止線程的線程狀態(tài)。

參考資料：