关于什么是 JVM

news2024/11/27 21:55:36

关于什么是 JVM，看看普通⼈和⾼⼿的回答。

普通人

JVM 就是 Java 虚拟机，是⽤来运⾏我们平时所写的 Java 代码的。优点是它会

⾃动进⾏内存管理和垃圾回收，缺点是⼀旦发⽣问题，要是不了解 JVM 的运⾏

机制，就很难排查出问题所在。

高手

JVM 全称是 Java 虚拟机，在聊什么是 JVM 之前，我们不妨看⼀下这张图。

从这张图中可以看出 JVM 所处的位置，同时也能看出它两个作用：

l 运⾏并管理 Java 源码⽂件所⽣成的 Class⽂件，

l 在不同的操作系统上安装不同的 JVM，从⽽实现了跨平台的保证。

⼀般情况下，对于开发者⽽⾔，即使不熟悉 JVM 的运⾏机制并不影响业务代码的开发，因为在安装完 JDK 或者 JRE 之后，其中就已经内置了 JVM，所以只需要将 Class⽂件交给 JVM 运⾏即可。

但当程序运⾏的过程中出现了问题，⽽这个问题发生在 JVM 层⾯的，那我们就需要熟悉 JVM 的运⾏机制，才能迅速排查并解决 JVM 的性能问题。

我们先看下目前主流的 JVM HotSpot 的架构图，通过这张架构图，我们可以看出 JVM 的大致流程是把一个 class 文件通过类加载器加载进系统，然后放到不同的区域，通过编译器编译。

第一个部分 Class Files

在 Java 中，Class⽂件是由源码⽂件⽣成的，⾄于源码⽂件的内容，是每个 Java开发者在 JavaSE 阶段的必备知识，这⾥就不再赘述了，我们可以关注⼀下 Class⽂件的格式，⽐如其中的常量池、成员变量、⽅法等，这样就能知道 Java 源码内容在 Class⽂件中的表示⽅式

第二个部分 Class Loader Subsystem 即类加载机制

Class⽂件加载到内存中，需要借助 Java 中的类加载机制。类加载机制分为装载、链接和初始化，其主要就是对类进⾏查找、验证以及分配相关的内存空间和赋值

第三个部分 Runtime Data Areas 也就是通常所说的运⾏时数据区

其解决的问题就是 Class⽂件进入内存之后，该如何进⾏存储不同的数据以及数据该如何进⾏扭转。比如：Method Area 通常会储存由 Class⽂件常量池所对应的运⾏时常量池、字段和⽅法的元数据信息、类的模板信息等；Heap 是存储各种 Java 中的对象实例；Java Threads 通过线程以栈的⽅式运⾏加载各个⽅法；Native Internal Thread 可以理解为是加载运⾏native 类型的⽅法；PC Register则是保存每个线程执⾏⽅法的实时地址。

这样通过运⾏时数据区的 5 个部分就能很好地把数据存储和运⾏起来了

第四个部分 Garbage Collector 也就是通常所说的垃圾回收

就是对运⾏时数据区中的数据进⾏管理和回收。回收机制可以基于不同的垃圾收集器，⽐如 Serial、Parallel、CMS、G1、ZGC 等，可以针对不同的业务场景选择不同的收集器，只需要通过 JVM 参数设置即可。如果我们打开 hotspot 的源码，可以发现这些收集器其实就是对于不同垃圾收集算法的实现，核⼼的算法有3 个：标记-清除、标记-整理、复制

标记-清除：标记-清除算法即先标记处待回收的垃圾对象，然后回收其内存区域。

这种算法存在两个缺点：一是这回收过程中需要大量标记，清除动作。随着堆中对象数量的增长，执行效率越来越低；二是会产生内存碎片，导致在分配大对象时有可能没有连续的内存，提前触发再一次垃圾回收。
标记-整理：标记-复制算法在对象存活率较高时，就要随之进行更多的复制操作，效率也随之降低。同时如果不想浪费一半的内存空间，就要提供上述的逃生门机制，需要有其他内存空间托底。因此这种算法并不适合对老年代进行回收。

标记-整理算法通常用来回收老年代，它的过程是这样的：在发生老年代回收时，首先标记存活的对象，然后将存活对象向内存的一端移动，最后清理掉边界以外的内存区域。
标记-复制：标记-复制算法即先将堆划分为两个区域，新建对象时只使用其中一个区域分配内存，发生 GC 时先标记存活的对象，然后将存活的对象复制到另一块空间中，然后再清空之前的空间。

对象存活的数量较多时，需要做大量的复制操作，将会产生大量的空间复制开销。但是在对象存活数量较少时，只需复制少量的对象，然后一次性清理之前使用的空间。在复制时只需按照顺序分配另一块的内存即可，不会产生内存碎片问题，算法简单高效，标记-复制算法特别适合对于年轻代的垃圾回收。

这种算法最大的缺点显而易见：分配对象时只使用了一半空间，有很严重的空间浪费。

针对这个问题，其实可以通过调整前后两块内存空间的占比来优化，具体的做法是：在 JVM 中，将堆的空间主要分为两部分，年轻代和老年代，同时对于年轻代又划分为 Eden 区域、From 区域和 To 区域。

新建的对象被分配到 Eden Space 中，当 Eden 区域空间满时，就触发一次 Young GC，已经不被使用的做回收处理，而仍然被使用的则被复制到 From 区域。经过这个过程，整个Eden区域就是空闲的，如果有新的对象，就 Eden 区域中创建。如果Eden区域的内存再次被用完，就再一次触发了 Young GC ，这时就将 Eden 区域和 From 区域中还在使用的对象复制到 To 区域。下一次 Young GC 则是将 Eden 区域和 To 区域中还在使用的对象全部复制到 From 区域。

如此，经过多次 Young GC 后，会存在某些对象在 From 区域和 To 区域进行多次复制，如果超过某个阈值对象仍然没有释放，则将这些对象复制到 Old Generation。如果Old Generation 区域也用完之后，就会触发 Full GC ，全量回收会对系统的性能造成非常大的影响，所以可以根据各应用的特点和对象的生命周期来设置一个合理的年轻代与老年代的大小值，尽量减少 Full GC。

在 HotSpot 虚拟机中，默认 Eden 和 Survivor（指其中的一块）的大小比例是 8 ：1，即只浪费了 10 % 的空间。当 Survivor 的空间无法存储仍在存活的对象时，会有类似逃生门的机制，直接进入老年代空间。