JVM虚拟机详解

01JVM由哪些部分组成/运行流程

什么是程序计数器

详细介绍堆

介绍方法区（Method Area）

直接内存

虚拟机栈(Java Virtual machine Stacks)

垃圾回收是否涉及栈内存

栈内存分配越大越好吗

方法内的局部变量是否线程安全

什么情况下会导致栈内存溢出

堆栈区别

02类加载器

什么是类加载器，有哪些类加载器

双亲委派机制

为什么采用双亲委派机制

类装载的执行过程

03垃圾回收

强引用、软引用、弱引用、虚引用

对象什么时候可以被垃圾回收

JVM垃圾回收算法有哪些

JVM中的分代回收

JVM有哪些垃圾回收器

详细聊一下G1垃圾回收器

04JVM实战

Java Virtual Machine Java程序的运行环境(java二进制字节码的运行环境)

好处：

一次编写，到处运行

自动内存管理，垃圾回收机制

01JVM由哪些部分组成/运行流程

第一行的作用：Java代码转换为字节码

第二行的作用：把自己恶魔加载到内存

第三行(左)的作用：字节码翻译为底层系统指令

什么是程序计数器

程序计数器：线程私有的，内部保存的字节码的行号。用于记录正在执行的字节码指令的地址。

javap -v xx.class 打印堆栈大小，局部变量的数量和方法的参数。

详细介绍堆

线程共享的区域：主要用来保存对象实例、数组等，当堆中没有内存空间可分配给实例，也无法再扩展时，则抛出OutOfMemoryError异常。

组成：年轻代+年老代

年轻代被划分为三部分，Eden区和两个大小样相同的Survior区，

老年代主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象。

JDK1.7和JDK1.8的区别：

1.7中有一个永久代，存储的是类信息、静态变量、常量、编译后的代码

1.8移除了永久代，把数据存储到了本地内存的元空间中，防止内存溢出

JDK1.7：

介绍方法区（Method Area）

方法区是各个线程共享的内存区域

主要存储类的信息，运行时常量池

虚拟机启动的时候创建，关闭虚拟机时释放

如果方法区域中的内存无法满足分配请求，则会抛出OutOfMemoryError:Metaspace

直接内存

直接内存：并不属于JVM中的内存结构，不由JVM进行管理。是虚拟机的系统内存，常见于NIO操作时，用于数据缓冲区，它分配回收成本较高，但读写性能高。

虚拟机栈(Java Virtual machine Stacks)

每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈，先进后出

每个栈由多个栈帧(frame)组成，对应着每次方法调用时所占用的内存

每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法

垃圾回收是否涉及栈内存

垃圾回收主要指就是堆内存，当栈帧弹栈以后，内存就会释放

栈内存分配越大越好吗

未必，默认的栈内存通常为1024k

栈帧过大会导致线程数变少，例如，机器总内存为512m，目前能活动的线程数则为512个，如果把栈内存改为2048k，那么能活动的栈帧就会减半。

方法内的局部变量是否线程安全

如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围，他是线程安全的

如果是局部变量引用了对象，并逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

什么情况下会导致栈内存溢出

栈帧过多导致栈内存溢出，典型问题：递归调用 -> java.lang.StackOverflowError

栈帧过大导致栈内存溢出

堆栈区别

栈内存一般会用来存储局部变量和方法调用，但堆内存是用来存储Java对象和数组的。堆会GC垃圾回收，而栈不会。
栈内存是线程私有的，而堆内存是线程共有的。
两者异常错误不同，但如果栈内存或者堆内存不足都会抛出异常。

栈空间不足：java.lang.StackOverFlowError 堆空间不足：java.lang.OutOfMemoryError

02类加载器

什么是类加载器，有哪些类加载器

类加载器：用于装载字节码文件(.class文件)。JVM只会运行二进制文件，类加载器就是将字节码文件加载到JVM中，从而让Java程序能够启动起来。

启动类加载器(BootStrap ClassLoader)：加载JAVA_HOME/jre.lib目录下的库
扩展类加载器(ExtClassLoader)：主要加载JAVA_HOME/jre/lib/ext目录中的类
应用类加载器(AppClassLoader)：用于加载classPath下的类
自定义加载器(CustomizeClassLoader)：自定义类继承ClassLoader，实现自定义类加载规则

双亲委派机制

加载某一个类，先委托上一级的加载器进行加载，如果上级加载器也有上级，则会继续向上委托，如果该类委托上级没有被加载，子加载器尝试加载该类。

为什么采用双亲委派机制

通过双亲委派机制可以避免某一个类被重复加载，当父类已经加载后则无需重复加载，保证唯一性
为了安全，保证类库API不会被修改

package java.lang;
public class String {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("demo info");
    }
}

此时执行main函数，会出现异常，在类java.lang.String中找不到main方法。

由于是双亲委派的机制，java.lang.String的启动类加载器得到加载，因为在核心jre库中有其相同名字的类文件，但该类中并没有main方法。这样就能防止恶意篡改核心API库。

类装载的执行过程

类从加载到虚拟机中开始，直到卸载为止，它的整个生命周期包括了：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载这7个阶段。其中，验证、准备和解析这三个部分统称为连接(linking)。

加载：查找和导入class文件
验证：保证加载类的准确性
准备：为类变量分配内存并设置类变量初始化
解析：把类中的符号引用转换为直接引用
初始化：对类的静态变量，静态代码块执行初始化操作
使用：JVM开始从入口方法开始执行用户的程序代码
卸载：当用户程序代码执行完毕后，JVM便开始销毁创建的Class对象

03垃圾回收

强引用、软引用、弱引用、虚引用区别

强引用：只有所有GC Roots对象不通过【强引用】引用该对象，该对象才能被垃圾回收
User user = new User();
软引用：仅有软引用引用该对象时，在垃圾回收后，内存仍不足时会再次触发垃圾回收
User user = new User();
SoftReference softReference = new SoftReference(user);
弱引用：仅有弱引用引用该对象时，在垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收弱引用对象
User user = new User();
WeakReference weakReference = new WeakReference(user);
虚引用：必须配合引用队列使用，被引用对象回收时，会将虚引用入队，由Reference Handler线程调用虚引用相关方法释放直接存储
User user = new User();
ReferenceQueue reference = new ReferenceQueue();
PhantomReference phantomReference = new PhantomReference(user,queue);

对象什么时候可以被垃圾回收

如果一个或多个对象没有任何的引用指向他了，那么这个对象现在就是垃圾，如果定位了垃圾，则有可能会被垃圾回收器回收。

定位垃圾的方式：

1、引用计数法

2、可达性分析法

JVM垃圾回收算法有哪些

标记清楚法

标记清除算法，是将垃圾回收分为2个阶段，分别是标记和清除

1、根据可达性分析算法得出的垃圾进行标记

2、对这些标记为可回收的内容进行垃圾回收

优点：标记和清除速度较快

缺点：碎片化较为严重，内存不连贯的

标记整理算法

优缺点同标记清楚法，解决了标记清除算法的碎片化问题，同时，标记压缩算法多了一步，对象移动内存位置的步骤，其效率也有一定的影响。

将存活对象都向内存另一端移动，然后清理边界以外的垃圾，无碎片，对象需要移动，效率低。

复制算法

将原有的内存空间一分为二，每次只用其中的一块，正在使用的对象复制到另一个内存空间中，然后将该内存空间清空，交换两个内存的角色，完成垃圾的回收；无碎片，内存使用率低。

优点：在垃圾对象多的情况下，效率较高；清理后，内存无碎片

缺点：分配的2块内存空间，在同一时刻，只能使用一半，内存使用率较低

JVM中的分代回收

对于新生代，内部又被分成了三个区域。

伊甸园区Eden，新生的对象都分配到这里
幸存者区survivor(分成from和to)
Eden区，from区，to区【8：1：1】

分代收集算法的-工作机制

新创建的对象，都会先分配到Eden区
当伊甸园内存不足，标记伊甸园与from（现阶段没有）的存活对象
将存活对象采用复制算法复制到to中，复制完毕后，伊甸园和from内存都得到释放
经过一段时间后伊甸园的内存又出现不足，标记eden区域和to区存活的对象，将存活的对象复制到from区
当幸存区对象熬过几次回收(最多15次)，晋升到老年代(幸存区内存不足或大对象会导致提前晋升)

MinorGC、Mixed GC、FullGC的区别是什么？

MinorGC【yound GC】发生在新生代的垃圾回收，暂停时间短（STW）
Mixed GC新生代+老年代部分区域的垃圾回收，G1收集器特有
FullGC：新生代+老年代完整垃圾回收，暂停时间长(STW)，应尽力避免

JVM有哪些垃圾回收器

在jvm中，实现了多种垃圾回收器，包括：

串行垃圾回收器

Serial和Serial Old串行垃圾回收器，是指使用单线程进行垃圾回收，堆内存较小，适合个人电脑。

Serial作用于新生代，采用复制算法
Serial Old作用于老年代，采用标记-整理算法

垃圾回收时，只有一个线程在工作，并且java应用中的所有线程都要暂停(STW)，等待垃圾回收的完成。

并行垃圾回收器

Parallerl New和Parallel Old是一个并行垃圾回收器，JDK8默认使用此垃圾回收器

Parallel New作用于新生代，采用复制算法
Parallel Old作用于老年代，采用标记-整理算法

垃圾回收时，多个线程在工作，并且java应用中的所有线程都要暂停(STW)，等待垃圾回收的完成。

CMS(并发)垃圾回收器

CMS(Concurrent Mark Sweep)，是一款并发的、使用标记-清除算法的垃圾回收器，该回收器是针对老年代垃圾回收的，是一款以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，停顿时间短，用户体验就好。其最大特年是在进行垃圾回收时，应用仍然能正常进行。

G1垃圾回收器

作用在新生代和老年代

G1垃圾回收器（详解）

应用于新生代和老年代，在JDK9之后默认使用G1
划分成多个区域，每个区域都可以充当eden，survior，old，humongous（巨型对象），其中humongous专为大对象准备
采用复制算法
响应时间与吞吐量兼顾
分成三个阶段：新生代回收、并发标记、混合收集
如果并发失败(即回收速度赶不上创建新对象速度)，会触发Full GC

Young Collection(年轻代垃圾回收)

初始时，所有区域都处于空闲状态
创建了一些对象，挑出一些空闲区域作为伊甸园区存储这些对象
当伊甸园需要垃圾回收时，挑出一个空闲区域作为幸存区，用复制算法复制存活对象，需要暂停用户线程
随着时间流逝，伊甸园的内存又有不足
将伊甸园以及之前幸存区中的存活对象，采用复制算法，复制到新的幸存区，其中较老对象晋升至老年代

年轻代垃圾回收+并发标记

当老年代占用内存超过阈值(默认是45%)后，触发并发标记，这时无需暂停用户线程。

混合垃圾回收

这些都完成后就知道老年代有哪些存活对象，随后进入混合收集阶段。此时不会对所有老年代区域进行回收，而是根据暂停时间目标，有限回收价值高(存活对象少，可以释放更多的内存)的区域(这也是Gabage First名称的由来)。
复制完成，内存得到释放，进入下一轮的新生代回收、并发标记、混合收集

04JVM实战

JVM调优的参数有哪些

对于JVM调优，主要就是调整年轻代、老年代、元空间的内存空间大小及使用的垃圾回收器类型。

设置堆空间大小

设置堆的初始大小和最大大小，为了防止垃圾收集器在初始大小、最大大小之间收缩堆而产生额外的时间，通常把最大、初始大小设置为相同的值。

-Xms：设置堆的初始大小
-Xmx：摄制队的最大大小

堆空间设置多少合适？

最大大小的默认值是物理内存的1/4，初始大小是物理内存的1/64
堆太小，可能会频繁的导致年轻代和年老代的垃圾回收，会产生stw，暂停用户线程
堆内存大肯定是好的，存在风险，假如发生了fullgc，它会扫描整个堆空间，暂停用户线程的时间长
设置参考推荐：尽量大。也要考察一下当前计算机其他程序的内存使用情况
虚拟机栈的设置

虚拟机栈的设置：每个线程默认会开启1M的内存，用于存放栈帧，调用参数、局部变量等，但一般256k就够用。通常减少每个线程的堆栈，可以产生更多的线程，但这实际上还受限于操作系统。

虚拟机栈的设置

年轻代Eden区和两个Survivor区的大小比例

年轻代晋升老年代阈值

设置垃圾回收收集器

JVM调优的工具

命令工具

jps 进程状态信息
jstack 查看java进程内线程的堆栈信息
jmap 堆转储快照分析工具
jhat 堆转储快照分析工具
jstat JVM统计检测工具

可视化工具

jconsole 用于对jvm的内存，线程，类的监控
VisualVM 能够监控线程，内存情况

JVM内存泄露的排查思路

1、通过jmap指定打印他的内存快照dump(Dump文件是进程的内存镜像，可以把程序的状态通过调试器保存到dump文件中)
使用jmap命令获取运行中程序的dump文件
jmap -dump:format=b.file=heap.hprof pid
使用vm参数获取dump文件
有的情况是内存溢出之后程序则会直接中断，而jmap只能打印在运行中的程序，所以建议通过参数的方式的生成dump文件
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
-XX:HeapDumpPath=/home/app/dumps/
2、通过工具，VisualVM去分析dump文件，VisualVM可以加载离线的dump文件

3、通过查看堆信息的情况，可以大概定位内存溢出是哪行代码出现了问题

4、找到对用的代码，通过阅读上下文的情况，进行修复即可