全網(wǎng)最詳細(xì)易懂的JVM虛擬機解析?。ǜ拍睢?shù)、垃圾回收）

時間：2023-06-30 12:27:01 | 來源：網(wǎng)站運營

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全網(wǎng)最詳細(xì)易懂的JVM虛擬機解析?。ǜ拍?、參數(shù)、垃圾回收）：

要點：

• java虛擬機概述和基本概念
• 堆、棧、方法區(qū)
• 了解虛擬機參數(shù)
• 垃圾回收概念和算法、及對象的分代轉(zhuǎn)換
• 垃圾收集器

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java虛擬機的原理：

• 所謂虛擬機，就是一臺虛擬的機器。它是一款軟件，用來執(zhí)行一系列虛擬計算機指令，大體上虛擬機可以分為系統(tǒng)虛擬機和程序虛擬機，大名鼎鼎的Visual Box、VMare就屬于系統(tǒng)虛擬機，他們完全是對物理計算機的仿真，提供了一個可運行完整操作系統(tǒng)的軟件平臺。
• 程序虛擬機典型代表就是Java虛擬機，它專門為執(zhí)行單個計算機程序而設(shè)計，在java虛擬機中執(zhí)行的指令我們成為java字節(jié)碼指令。無論是系統(tǒng)虛擬機還是程序虛擬機，在上面運行的軟件都被限制于虛擬機提供的資源中。Java發(fā)展至今，出現(xiàn)過很多虛擬機，最初Sun使用的一款叫Classic的Java虛擬機，到現(xiàn)在引用最廣泛的是HotSpot虛擬機，除了Sun意外，還有BEA的JRockit，目前JRockit和HotSpot都被Oracle收入旗下，大有整合的趨勢。

java虛擬機的基本結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)概念說明：

• 類加載子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)從文件系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)中加載Class信息，加載的信息 存放在一塊稱之為方法區(qū)的內(nèi)存空間。
• 方法區(qū)：就是存放類信息、常量信息、常量池信息、包括字符串字面量和數(shù)字常量等。
• java堆：在java虛擬機啟動的時候建立java堆，它是java程序最主要的內(nèi)存工作區(qū)域，幾乎所有的對象實例都存放到j(luò)ava堆中，堆空間是所有線程共享的。
• 直接內(nèi)存：Java的NIO庫允許java程序使用直接內(nèi)存，從而提高性能，通常直接內(nèi)存速度會優(yōu)于java堆。讀寫頻繁的場合可能會考慮使用。
• 每個虛擬機線程都有一個私有的棧，一個線程的java棧在線程創(chuàng)建的時候被創(chuàng)建，java棧中保存著局部變量、方法參數(shù)、同時java的方法調(diào)用、返回值等。
• 本地方法棧和java棧非常類似，最大不同為本地方法棧用于本地方法調(diào)用。java虛擬機允許java直接調(diào)用本地方法（通常使用C編寫）。
• 垃圾收集系統(tǒng)是java的核心，也是必不可少的，java有一套自己進行垃圾清理的機制，開發(fā)人員無需手工清理，我們稍后詳細(xì)說明。
• PC（Program Counter）寄存器也是每個線程私有的空間，java虛擬機會為每個線程創(chuàng)建PC寄存器，在任意時刻，一個java線程總是在執(zhí)行一個方法，這個方法被稱為當(dāng)前方法，如果當(dāng)前方法不是本地方法，PC寄存器就會執(zhí)行當(dāng)前正在被執(zhí)行的指令，如果是本地方法，則PC寄存器值為undefined,寄存器存放如當(dāng)前執(zhí)行環(huán)境指針、程序計數(shù)器、操作棧指針、計算的變量指針等信息。
• 虛擬機最核心的組件就是執(zhí)行引擎了，它負(fù)責(zé)執(zhí)行虛擬機的字節(jié)碼。一般戶先進行編譯成機器碼后執(zhí)行

堆、棧、方法區(qū)概念和聯(lián)系：

• 堆解決的是數(shù)據(jù)存儲的問題，即數(shù)據(jù)怎么放、放在哪兒。 棧解決程序的運行問題，即程序如何執(zhí)行，或者說如何處理數(shù)據(jù)。
• 方法區(qū)則是輔助堆棧的快永久區(qū)（Perm），解決堆棧信息的產(chǎn)生，是先決條件。
• 我們創(chuàng)建一個新的對象，User：那么User類的一些信息（類信息、靜態(tài)信息都存在于方法區(qū)中） 而User類被實例化出來之后，被存儲到j(luò)ava堆中，一塊內(nèi)存空間 當(dāng)我們?nèi)ナ褂玫臅r候，都是使用User對象的引用，形如User user = new User(); 這里的user就是存放在java棧中的，即User真實對象的一個引用。

java棧：

• java棧是一塊線程私有的內(nèi)存空間，一個棧，一般由三部分組成：局部變量表、操作數(shù)棧和幀數(shù)據(jù)區(qū)。 局部變量表：用于報錯函數(shù)的參數(shù)及局部變量。
• 操作數(shù)棧：主要保存計算過程的中間結(jié)果，同時作為計算過程中變量臨時的存儲空間。
• 幀數(shù)據(jù)區(qū)：除了局部變量表和操作數(shù)棧以外，棧還需要一些數(shù)據(jù)來支持常量池的解析，這里幀數(shù)據(jù)區(qū)保存著訪問常量池的指針，方便程序訪問常量池。
• 另外，當(dāng)函數(shù)返回或者出現(xiàn)異常時，虛擬機必須有一個異常處理表，方便發(fā)送異常的時候找到異常的代碼，因此異常處理表也是幀數(shù)據(jù)區(qū)的一部分。

java方法區(qū)：

• java方法區(qū)和堆一樣，方法區(qū)是一塊所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它保存系統(tǒng)的類信息，比如類的字段、方法、常量池等。
• 方法區(qū)的大小決定了系統(tǒng)可以保存多少個類，如果系統(tǒng)定義太多的類，導(dǎo)致方法區(qū)溢出。虛擬機同樣會拋出內(nèi)存溢出錯誤。方法區(qū)可以理解為永久區(qū)（Perm）

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虛擬機參數(shù)：

• 在虛擬機運行的過程中，如果可以跟蹤系統(tǒng)的運行狀態(tài)，那么對于問題的故障排查會有一定的幫助。
• 為此，虛擬機提供了一些跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)的參數(shù)，使用給定的參數(shù)執(zhí)行java虛擬機，就可以在系統(tǒng)運行時打印相關(guān)日志，用于分析實際問題。我們進行虛擬機參數(shù)配置，其實主要就是圍繞著堆、棧、方法區(qū)進行配置。

堆分配參數(shù)（一）：

• XX:+PrintGC 使用這個參數(shù)，虛擬機啟動后，只要遇到GC就會打印日志。
• -XX:+UseSerialGC 配置串行回收器
• -XX:+PrintGCDetails 可以查看詳細(xì)信息，包括各個區(qū)的情況
• -Xms：設(shè)置java程序啟動時初始堆大小
• -Xmx：設(shè)置java程序能獲得的最大堆大小
• -Xmx20m -Xms5m -XX:+PrintCommandLineFlags : 可以將隱式或者顯示傳給虛擬機的參數(shù)輸出

總結(jié)：在實際工作中，我們可以直接將初始的堆大小與最大堆大小設(shè)置相等，這樣的好處是可以減少程序運行時的垃圾回收次數(shù)，從而提高性能。

堆分配參數(shù)（二）:

• 新生代的配置-Xmn：可以設(shè)置新生代的大小，設(shè)置一個比較大的新生代會減少老年代的大小，這個參數(shù)對系統(tǒng)性能以及GC行為有很大的影響，新生代大小一般會設(shè)置整個堆空間的1/3到1/4左右。
• -XX:SurvivorRatio：用來設(shè)置新生代中eden空間和from/to空間的比例。含義：-XX:SurvivorRatio=eden/from=eden/to

總結(jié)：不同的堆分布情況，對系統(tǒng)執(zhí)行會產(chǎn)生一定的影響，在實際工作中，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的特點做出合理的配置，基本策略：盡可能將對象預(yù)留在新生代，減少老年代的GC次數(shù)。 除了可以設(shè)置新生代的絕對大?。?Xmn），還可以使用（-XX:NewRatio）設(shè)置新生代和老年代的比例：-XX:NewRatio=老年代/新生代

堆溢出處理:

• 在java程序的運行過程中，如果堆空間不足，則會拋出內(nèi)存溢出的錯誤（Out Of Menory）OOM，一旦這類問題發(fā)生在生產(chǎn)環(huán)境，可能引起嚴(yán)重的業(yè)務(wù)中斷。
• java虛擬機提供了-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，使用該參數(shù)可以在內(nèi)存溢出時導(dǎo)出整個堆信息，與之配合使用的還有參數(shù)， -XX:HeapDumpPath，可以設(shè)置導(dǎo)出堆的存放路徑。

棧配置:

Java虛擬機提供了參數(shù)-Xss來指定線程的最大棧空間，整個參數(shù)也直接決定了函數(shù)可調(diào)用的最大深度。

方法區(qū)：

• 和java堆一樣，方法區(qū)是一塊所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于保存系統(tǒng)的類信息，方法區(qū)（永久區(qū)）可以保存多少信息可以對其進行配置。
• 在默認(rèn)情況下，-XX:MaxPermSize為64MB，如果系統(tǒng)運行時生產(chǎn)大量的類，就需要設(shè)置一個相對合適的方法區(qū)，以免出現(xiàn)永久區(qū)內(nèi)存溢出的問題。 -XX:PermSize=64M -XX:MaxPermSize=64M

直接內(nèi)存配置：

• 直接內(nèi)存也是java程序中非常重要的組成部分，特別是廣泛用在NIO中，直接內(nèi)存跳過了java堆，使java程序可以直接訪問原生堆空間，因此在一定程度上加快了內(nèi)存空間的訪問速度。但是說直接內(nèi)存一定就可以提高內(nèi)存訪問速度也不見得，具體情況具體分析。
• 相關(guān)配置參數(shù)：-XX:MaxDirectMemorySize，如果不設(shè)置默認(rèn)值為最大堆空間，即-Xmx。直接內(nèi)存使用達到上限時，就會觸發(fā)垃圾回收，如果不能有效的釋放空間，也會引起系統(tǒng)的OOM.

垃圾回收概念和其算法：

• 談到垃圾回收（Garbage Collection，簡稱GC）,需要先澄清什么是垃圾，類比日常生活中的垃圾，我們會把他們丟入垃圾桶，然后倒掉。
• GC中的垃圾，特指存于內(nèi)存中、不會再被使用的對象，而回收就是相當(dāng)于把垃圾“倒掉”。 垃圾回收有很多種算法：如引用計數(shù)法、標(biāo)記壓縮法、復(fù)制算法、分代、分區(qū)的思想。

垃圾收集算法（一）：

• 引用計數(shù)法：這是個比較古老而經(jīng)典的垃圾收集算法，其核心就是在對象被其他所引用時計數(shù)器加1，而當(dāng)引用失效時則減1，但是這種方式有非常嚴(yán)重的問題：無法處理循環(huán)引用的情況、還有就是每次進行加減操作比較浪費系統(tǒng)性能。
• 標(biāo)記清除法：就是分為標(biāo)記和清除倆個階段進行處理內(nèi)存中的對象，當(dāng)然這種方式也有非常大的弊端，就是空間碎片問題，垃圾回收后的空間不是連續(xù)的，不連續(xù)的內(nèi)存空間的工作效率要低于連續(xù)的內(nèi)存空間。
• 復(fù)制算法：其核心思想就是將內(nèi)存空間分為兩塊，，每次只使用其中一塊，在垃圾回收時，將正在使用的內(nèi)存中的存留對象復(fù)制到未被使用的內(nèi)存塊中去，之后去清除之前正在使用的內(nèi)存塊中所有的對象，反復(fù)去交換倆個內(nèi)存的角色，完成垃圾收集。（java中新生代的from和to空間就是使用這個算法）
• 標(biāo)記壓縮法：標(biāo)記壓縮法在標(biāo)記清除法基礎(chǔ)之上做了優(yōu)化，把存活的對象壓縮到內(nèi)存一端，而后進行垃圾清理。（java中老年代使用的就是標(biāo)記壓縮法） 考慮一個問題：為什么新生代和老年代使用不同的算法？

垃圾收集算法（二）：

• 分代算法：就是根據(jù)對象的特點把內(nèi)存分成N塊，而后根據(jù)每個內(nèi)存的特點使用不同的算法。對于新生代和老年代來說，新生代回收頻率很高，但是每次回收耗時都很短，而老年代回收頻率較低，但是耗時會相對較長，所以應(yīng)該盡量減少老年代的GC.
• 分區(qū)算法：其主要就是將整個內(nèi)存分為N多個小的獨立空間，每個小空間都可以獨立使用，這樣細(xì)粒度的控制一次回收都少個小空間和那些個小空間，而不是對整個空間進行GC，從而提升性能，并減少GC的停頓時間。

垃圾回收時的停頓現(xiàn)象：

• 垃圾回收器的任務(wù)是識別和回收垃圾對象進行內(nèi)存清理，為了讓垃圾回收器可以高效的執(zhí)行，大部分情況下，會要求系統(tǒng)進入一個停頓的狀態(tài)。
• 停頓的目的是終止所有應(yīng)用線程，只有這樣系統(tǒng)才不會有新的垃圾產(chǎn)生，同事停頓保證了系統(tǒng)狀態(tài)在某一個瞬間的一致性，也有益于更好低標(biāo)記垃圾對象。因此在垃圾回收時，都會產(chǎn)生應(yīng)用程序的停頓。

對象如何進入老年代：

• 一般而言對象首次創(chuàng)建會被放置在新生代的eden區(qū)，如果沒有GC介入，則對象不會離開eden區(qū)，那么eden區(qū)的對象如何進入老年代呢？
• 一般來講，只要對象的年齡達到一定的大小，就會自動離開年輕代進入老年代，對象年齡是由對象經(jīng)歷數(shù)次GC決定的，在新生代每次GC之后如果對象沒有被回收則年齡加1.虛擬機提供了一個參數(shù)來控制新生代對象的最大年齡，當(dāng)超過這個年齡范圍就會晉升老年代。 -XX:MaxTenuringThreshold，默認(rèn)情況下為15。
• 總結(jié)：根據(jù)設(shè)置MaxTenuringThreshold參數(shù)，可以指定新生代對象經(jīng)過多少次回收后進入老年代。 另外，大對象（新生代eden區(qū)無法裝入時，也會直接進入老年代）。JVM里有個參數(shù)可以設(shè)置對象的大小超過在指定的大小之后，直接晉升老年代。 -XX:PretenureSizeThreshold

總結(jié)：使用PretenureSizeThreshold可以進行指定進入老年代的對象大小，但是要注意TLAB區(qū)域優(yōu)先分配空間。

對象創(chuàng)建流程圖：

垃圾收集器：

在java虛擬機中，垃圾回收器不僅僅只有一種，什么情況下該使用哪種，對性能又有什么樣的影響，這都是我們需要了解的。

• 串行垃圾回收器
• 并行垃圾回收器
• CMS回收器
• G1回收器

串行回收器：

• 串行回收器是指使用單線程進行垃圾回收的回收器。每次回收時，串行回收器只有一個工作線程，對于并行能力較弱的計算機來說，串行回收器的專注性和獨占性往往有更好的性能表現(xiàn)。
• 串行回收器可以在新生代和老年代使用，根據(jù)作用于不同的堆空間，分為新生代串行回收器和老年代串行回收器。 使用-XX:+UseSerialGC 參數(shù)可以設(shè)置使用新生代串行回收器和老年代串行回收器

并行回收器（ParNew回收器）:

• 并行回收器在串行回收器基礎(chǔ)上做了改進，他可以使用多個線程同時進行垃圾回收，對于計算能力強的計算機而言，可以有效的縮短垃圾回收所需的實際時間。
• ParNew回收器是一個工作在新生代的垃圾收集器，他只是簡單的將串行回收器多線程化，他的回收策略和算法和串行回收器一樣。
• 使用 -XX:+UseParNewGC 新生代ParNew回收器，老年代則使用串行回收器 ParNew回收器工作時的線程數(shù)量可以使用
• -XX:ParallelGCThreads參數(shù)指定，一般最好和計算機的CPU相當(dāng)，避免過多的線程影響性能。

并行回收器（ParallelGC回收器）:

• 新生代ParallelGC回收器，使用了復(fù)制算法的收集器，也是多線程獨占形式的收集器，但ParallelGC回收器有個非常重要的特點，就是它非常關(guān)注系統(tǒng)的吞吐量。
• 提供了倆個非常關(guān)鍵的參數(shù)控制系統(tǒng)的吞吐量
• -XX:MaxGCPauseMillis：設(shè)置最大垃圾收集停頓時間，可用把虛擬機在GC停頓的時間控制在MaxGCPauseMillis范圍內(nèi)，如果希望減少GC停頓時間可以將MaxGCPauseMillis設(shè)置的很小，但是會導(dǎo)致GC頻繁，從而增加了GC的總時間，降低了吞吐量。所以需要根據(jù)實際情況設(shè)置該值。
• -XX:GCTimeRatio：設(shè)置吞吐量大小，它是一個0到100之間的整數(shù)，默認(rèn)情況下他的取值是99，那么系統(tǒng)將花費不超過1/(1+n)的時間用于垃圾回收，也就是1/(1+99) = 1%的時間。
• 另外還可以指定 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy打開自適應(yīng)模式，在這種模式下，新生代的大小、eden、from/to的比例，以及晉升老年代的對象年齡參數(shù)會被自動調(diào)整，以達到在堆大小、吞吐量和停頓時間之間的平衡點。

并行回收器（ParallelOldGC回收器）：

• 老年代ParallelOldGC回收器也是一種多線程的回收器，和新生代的ParallelGC回收器一樣，也是一種關(guān)注吞吐量的回收器，他使用了標(biāo)記壓縮算法進行實現(xiàn)。
• -XX:+UseParallelOldGC 進行設(shè)置
• -XX:+ParallelGCThreads 也可以設(shè)置垃圾收集時的線程數(shù)量。

CMS回收器：

• CMS全稱為：Concurrent Mark Sweep 意為并發(fā)標(biāo)記清除，他使用的是標(biāo)記清除法，主要關(guān)注系統(tǒng)停頓時間。
• 使用 -XX:+UseConcMarkSweepGC 進行設(shè)置。
• 使用 -XX:ConcGCThreads 設(shè)置并發(fā)線程數(shù)量。
• CMS并不是獨占的回收器，也就說CMS回收的過程中，應(yīng)用程序仍然在不停的工作，又會有新的垃圾不斷的產(chǎn)生，所以在使用CMS的過程中應(yīng)該確保應(yīng)用程序的內(nèi)存足夠可用。CMS不會等到應(yīng)用程序飽和的時候才去回收垃圾，而是在某一閥值的時候開始回收，回收閥值可用指定的參數(shù)進行配置，-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction來指定，默認(rèn)為68，也就是說當(dāng)老年代的空間使用率達到68%的時候，會執(zhí)行CMS回收。如果內(nèi)存使用率增長的很快，在CMS執(zhí)行的過程中，已經(jīng)出現(xiàn)了內(nèi)存不足的情況，此時CMS回收就會失敗，虛擬機將啟動老年代串行回收器進行垃圾回收，這會導(dǎo)致應(yīng)用程序中斷，知道垃圾回收完成后才會正常工作，這個過程GC的停頓時間可能較長，所以 - XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的設(shè)置要根據(jù)實際的情況。
• 標(biāo)記清除法有個缺點就是存在內(nèi)存碎片的問題，那么CMS有個參數(shù)設(shè)置-XX:+UseCMSCompactAtFullCollecion可以使CMS回收完成之后進行一次碎片整理，-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction參數(shù)可以設(shè)置進行多少次CMS回收之后，對內(nèi)存進行一次壓縮。

G1回收器：

• G1回收器(Garbage-First)實在jdk1.7中正式使用的垃圾回收器，從長期目標(biāo)來看是為了取代CMS回收器，G1回收器擁有獨特的垃圾回收策略，G1屬于分代垃圾回收器，區(qū)分新生代和老年代，依然有eden和from/to區(qū)，它并不要求整個eden區(qū)或者新生代、老年代的空間都連續(xù)，它使用了分區(qū)算法。
• 并行性：G1回收期間可多線程同時工作。
• 并發(fā)性：G1擁有與應(yīng)用程序交替執(zhí)行能力，部分工作可與應(yīng)用程序同時執(zhí)行，在整個GC期間不會完全阻塞應(yīng)用程序。
• 分代GC:G1依然是一個分代的收集器，但是它是兼顧新生代和老年代一起工作，之前的垃圾收集器他們或者在新生代工作，或者在老年代工作，因此這是一個很大的不同。 空間整理：G1在回收過程中，不會像CMS那樣在若干次GC后需要進行碎片整理，G1采用了有效復(fù)制對象的方式，減少空間碎片。
• 可預(yù)見性：由于分區(qū)的原因，G1可以只選取部分區(qū)域進行回收，縮小了回收的范圍，提升了性能。
• 使用 -XX:+UseG1GC 應(yīng)用G1收集器
• 使用 -XX:MaxGCPauseMillis 指定最大停頓時間
• 使用 -XX:ParallelGCThreads 設(shè)置并行回收的線程數(shù)量

最后

在這里為大家整理了各個知識點模塊整理文檔（微服務(wù)、數(shù)據(jù)庫、mysql、jvm、Redis等都有）和更多大廠面試真題，有需要的朋友可以私信回復(fù)“資料”免費領(lǐng)取