JVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

Overview

Java虛擬機(jī)Java virtual machine(JVM) 是物理機(jī)器的軟件實(shí)現(xiàn)。java編譯器javac將源碼文件.java編譯成字節(jié)碼文件.class，然后這個(gè)字節(jié)碼文件.class被放到JVM中，裝載并執(zhí)行字節(jié)碼文件.class。JVM架構(gòu)圖如下。

JVM架構(gòu)體系

垃圾回收(garbage collection)：負(fù)責(zé)回收堆內(nèi)存heap中沒(méi)有被使用的對(duì)象

判斷對(duì)象是否存活，可達(dá)性檢測(cè)

• 引用計(jì)數(shù)算法：給對(duì)象添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，每當(dāng)有一個(gè)地方引用它時(shí)，計(jì)數(shù)器值就加1，當(dāng)引用失效時(shí)，計(jì)數(shù)器值就減1。任何時(shí)刻計(jì)數(shù)器為0的對(duì)象就是不可能再被使用的
• 根搜索算法：通過(guò)一系列名為“GC Roots”的對(duì)象作為起始點(diǎn)，從這些節(jié)點(diǎn)開(kāi)始向下搜索，搜索所走過(guò)的路徑稱為引用鏈，當(dāng)一個(gè)對(duì)象到 GC Roots 沒(méi)有任何引用鏈相連時(shí)，就證明此對(duì)象是不可用的

垃圾回收算法

• 標(biāo)記-清除算法Mark-Sweep：首先標(biāo)記出所有需要回收的對(duì)象，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對(duì)象
• 效率問(wèn)題：標(biāo)記和清除動(dòng)作都不是高效動(dòng)作
• 空間問(wèn)題：標(biāo)記清除之后產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，碎片太多導(dǎo)致分配較大對(duì)象時(shí)無(wú)法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次gc
• 復(fù)制算法Copying：它將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當(dāng)這一塊的內(nèi)存用完了，就將還存活著的對(duì)象復(fù)制到另外一塊上面，然后再把已使用過(guò)的內(nèi)存空間一次清理掉

可用內(nèi)存縮小為原來(lái)的一半

每次收集時(shí)，所有的標(biāo)記對(duì)象都要被拷貝，從而導(dǎo)致一些生命周期很長(zhǎng)的對(duì)象被來(lái)回拷貝多次，消耗大量的時(shí)間 ->分代回收來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題

分代回收算法Generational Collecting：根據(jù)對(duì)象存活周期的不同將內(nèi)存劃分為幾塊新生代：內(nèi)存分為一塊較大的Eden空間和兩塊較小的Survivor空間。新建object在Eden，Eden滿時(shí)觸發(fā)YGC，Eden中存活對(duì)象被移動(dòng)到S0區(qū)，清空Eden;等Eden再滿載YGC，Eden和S0中的存活對(duì)象被復(fù)制到S1(復(fù)制算法保證了S1中來(lái)自Eden和S0兩部分的存活對(duì)象占用連續(xù)的內(nèi)存空間，避免了碎片化);清空Eden和S0。下一輪的時(shí)候S0和S1交換角色，如此循環(huán)往復(fù)。如果對(duì)象的復(fù)制次數(shù)達(dá)到15次，該對(duì)象就會(huì)被送到老年代。老年代：對(duì)象存活率高

垃圾回收器(垃圾回收算法的具體實(shí)現(xiàn))

并行與并發(fā)

• 并行Parallel：指多條垃圾收集線程并行工作，但此時(shí)用戶線程仍然處于等待狀態(tài)
• 并發(fā)Concurrent：指用戶線程與垃圾收集線程同時(shí)執(zhí)行，用戶程序在繼續(xù)運(yùn)行，而垃圾收集程序運(yùn)行于另一個(gè)CPU上
• 新生代minor gc：新生代內(nèi)存不是很大，miinor gc回收速度一般比較快
• 老年代major gc/ full gc：老年代內(nèi)存一般比較大，用于緩存大對(duì)象，所以回收速度約minor gc的10倍以上
• 吞吐量throughput：JVM總共運(yùn)行了100分鐘，其中垃圾收集花掉1分鐘，那吞吐量就是99%，即(all-gc)/all(for batch pipeline)
• 停頓時(shí)間：垃圾回收器正在運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用程序的暫停時(shí)間(for streaming pipeline)

回收器類型

1. NEW
2. serial，單線程
3. parNew，serial多線程版
4. Parallel Scavenge，復(fù)制算法，并行，優(yōu)先保證吞吐量，不顧及用戶STW感受，吞吐量方面優(yōu)化的系統(tǒng)，停頓時(shí)間長(zhǎng)是可以接收的。
5. OLD/tenured
6. Serial Old，Serial回收器的老年代版本，單線程，標(biāo)記-整理算法
7. Parallel Old，Parallel Scavenge回收器的老年代版本，多線程，標(biāo)記-整理算法
8. Concurrent Mark Sweep, CMS：優(yōu)先最短回收停頓時(shí)間，用戶體驗(yàn)好，標(biāo)記-清除算法
9. NEW and OLD
10. 關(guān)鍵點(diǎn)：region內(nèi)存劃分，優(yōu)先級(jí)區(qū)域回收方式。優(yōu)先回收價(jià)值最大的region
11. garbage first, G1：它將整個(gè)Java堆劃分為多個(gè)大小相等的獨(dú)立區(qū)域(Region)，雖然還保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔離的了，它們都是一部分Region(不需要連續(xù))的集合。

類裝載子系統(tǒng)(classloader sub-system)：定位和導(dǎo)入二進(jìn)制class文件，校驗(yàn)導(dǎo)入類的正確性，為類變量分配并初始化內(nèi)存，解析符號(hào)引用

• 啟動(dòng)類加載器bootstrap classloader，負(fù)責(zé)加載JAVA_HOME/lib下的合法類文件
• 擴(kuò)展類加載器extension classloader，負(fù)責(zé)加載JAVA_HOME/lib/ext下的合法類文件
• 應(yīng)用程序類加載器application classloader，負(fù)責(zé)加載用戶路徑classpath下的合法類文件
• 自定義類加載器user defined classloader，class MyClassLoader extends ClassLoader
• JVM通過(guò)雙親委派模型進(jìn)行類的加載，先交給其最底層父類去加載，父類無(wú)法加載時(shí)才自己試著去加載。if(parent != null) parent.loadclass(name) 遞歸recursion，application classloader -> extension classloader -> bootstrap classloader
• 先看user defined classloader是否緩存了，如果緩存了，就直接返回，如果沒(méi)有，委派父classloader去加載，如果父緩存了，就直接返回，否則再委派給父classloader;直到最后的bootstrap classloader，如果其緩存找不到，則在其路徑下找，找到則至二級(jí)返回，否則往其子類返回，讓其子類在其路徑下找;最后又回到自定義classloader，如果還找不到就拋異常

執(zhí)行引擎(execution engine)：執(zhí)行classloader中的方法指令

• 解釋器Interpreter：讀取源碼或字節(jié)碼，并逐條直接執(zhí)行(javac是在JVM外的)
• 即時(shí)編譯器Just-In-Time compiler/JIT: 讀取源碼，更多情況下是字節(jié)碼，然后即時(shí)編譯為機(jī)器碼并執(zhí)行
• Java虛擬機(jī)是可運(yùn)行Java代碼的假想計(jì)算機(jī)，java源文件(.java)通過(guò)java編譯器javac生成字節(jié)碼文件(.class)，字節(jié)碼文件(.class)通過(guò)JVM中的解釋器再翻譯成特定機(jī)器上的機(jī)器碼

即，源碼/源代碼/Source code/.java -> 字節(jié)碼/Bytecode/.class -> 機(jī)器碼/Machine code/原生碼/Native Code

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)(runtime data areas)：JVM運(yùn)行時(shí)需要從整個(gè)計(jì)算機(jī)內(nèi)存中劃出一塊內(nèi)存區(qū)域存儲(chǔ)jvm需要用到的東西

• 堆Heap：JVM內(nèi)共享/線程間共享，保存了所有類實(shí)例/對(duì)象本身instance，不存儲(chǔ)基本數(shù)據(jù)類型對(duì)象和自定義對(duì)象引用(這些存在各線程的JVM Stack中)，是gc的主要回收區(qū)
• 方法區(qū)Method Area/永久代Permanent Generation：JVM內(nèi)共享/線程間共享，保存了每個(gè)類的信息(類的名稱、字段信息、方法信息)class、靜態(tài)變量static等
• 程序計(jì)數(shù)器Program Counter Register/PC寄存器：線程內(nèi)共享，保存每個(gè)線程正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址;若該方法為Native的，則計(jì)數(shù)器置空Undefined
• 虛擬機(jī)棧JVM Stack/線程棧：線程內(nèi)共享，保存基本數(shù)據(jù)類型的對(duì)象和自定義對(duì)象的引用，執(zhí)行環(huán)境的上下文
• 本地方法棧Native Method Stacks：線程內(nèi)共享，與JVM Stack所發(fā)揮的作用是非常相似的，其區(qū)別不過(guò)是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法(也就是字節(jié)碼)服務(wù)，而本地方法棧則是為虛擬機(jī)執(zhí)行的Native方法服務(wù)

垃圾回收器開(kāi)啟命令

Command line新生代gc模式老年代gc模式-XX:+UseSerialGCserial串行回收器serialOld串行回收器-XX:+UseParNewGCparNew并行回收器default-XX:+UseParallelGCparallel并行回收器default-XX:+UseParallelOldGCdefaultparallel并行回收器-XX:+UseConcMarkSweepGCdefaultCMS并行回收器-XX:+UseG1GCG1回收器G1回收器

根據(jù)上表新生代與老年代的gc模式互為搭配一起為垃圾回收器服務(wù)。

Default garbage collectors,

• Java 7 - Parallel GC
• Java 8 - Parallel GC
• Java 9 - G1 GC