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JVM篇1:[-结构综述-]

2019.12.26 18:08 189浏览

前言

对java虚拟机的介绍文章多如牛毛,写本文目的在于梳理一下,也方便以后翻来看看。  
另外网上文章的图都挺丑的,本文90%的图都出于在下亲笔,如图有错误,请指出,定当立即更正  
本文主要介绍一下Java虚拟机的抽象结构以及一些基础的概念

一、几个概念简介

1.JDK、JRE、JVM
有了JRE就能运行java程序,如果只是运行软件,装个JRE就行了。
我们一般说java8,java10都是指的JDK,是java开发者使用的工具集,是一个大的概念,下面是java8的JDK组成

java8.png

2.JDK、JRE、JVM的关系

JDK:Java 语言的软件开发工具包(Java Development Kit)
JRE: Java运行时环境(Java Runtime Environment)
JVM: Java虚拟机(Java Virtual Machine)
图片描述


3.历史上的java虚拟机类型

虚拟机即:模拟计算机功能,并提供统一操作接口,从而实现代码在不同平台的一致性。
从本质上来看,JVM是一个抽象接口,它有很多实现(如下),而这些实现也只是应用程序而已。
Java发展至今JVM也有过更新迭代,也有基于不同场景下使用的JVM。
图片描述

Sun Classic VM 第一款商用Java 虚拟机,纯解释器方式执行java代码。(已退出历史舞台)
EXact VM 编译器解释器混合工作,很快被HotSpot VM取代(已退出历史舞台)
HotSpot VM 沿用至今
KVM 手机端----效率低(已退出历史舞台)
JRockit 专注服务端应用
J9 IBM公司
Microsoft JVM windows----平台专用(已退出历史舞台)
Taobao VM 淘宝根据HotSpot VM定制
Dalvik 安卓虚拟机,寄存器架构,执行.dex文件(.class-->.dex)


4.Java虚拟机结构

图片描述


二、Java虚拟机结构简述

1..class文件和类加载器
1-1. .class文件

如果对class感兴趣,可以详见官方文档,对class文件介绍的非常细致,以后会写个专篇,这里不深入。
java第一天便知道javac命令能将.java生成.class文件,然后就上手IDE,基本也就与class文件无缘了
图片描述
图片描述


1-2.类加载器子系统

关于类加载器子系统这里展示也不深入,只要知道考它将java字节码文件载入JVM即可
详见:JVM篇2:[-加载器ClassLoader-]

图片描述


2.运行时数据区
2-1. 程序计数器
当前线程私有,即每一个线程都有一个,通过改变它来选取下一条需要执行的字节码指令 
内存空间较小,JVM中唯一不会出现OutOfMemoryError情况
如果该线程正在执行一个本地方法,那么此时程序计数器的值是“undefined”

2-2. Java虚拟机栈
调节参数:-Xss = 
---->[1.栈帧(StatckFrame)]-------------------------------------------
|--- 一个线程的每个方法在执行的同时,都会创建一个栈帧。  
|--- 栈帧中存储的有局部变量表、操作站、动态链接、方法出口等。  
|--- 当方法被调用时,栈帧入栈,当方法执行完成时,栈帧出栈。

---->[2.其他相关]-------------------------------------------
|--- 存取的速度快,仅次于寄存器
|--- 存储着方法的相关局部变量,包括各种基本数据类型,对象的引用,返回地址等。  
|--- 局部变量表的内存空间在编译器完成分配,运行期不能改变其大小

---->[3.异常相关]-------------------------------------------
栈溢出:    Java虚拟机会抛出StackOverflowError
内存溢出:  创建/动态扩展时没有足够的内存创建对应的Java虚拟机栈,抛出OutOfMemoryError异常

图片描述

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2-3. Java虚拟机栈``本地方法栈
当前线程私有,本地方法栈支持Native方法调用
HotSpot VM将本地方法栈和Java虚拟机栈合二为一
异常情况:StackOverflowError和OutOfMemoryError

关于线程私有和线程间共享,详见:Java内存模型(JMM–Java Memory Model)


2-4.方法区
-XX:PermSize = 
-XX:MaxPermSize = 
---->[1.基本介绍]-------------------------------------------
当前线程共享区域:用于存储已经被虚拟机加载的[类信息](即加载类时需要加载的信息,
包括版本、field、方法、接口等信息)、final常量、静态变量、编译器即时编译的代码等。  

---->[2.运行时常量池]-------------------------------------------
|---用于存储编译期就生成的字面常量、符号引用、翻译出来的直接引用  
|---存储在运行时产生的常量(比如String类的intern方法,作用是String维护了一个常量池,如果调用的字符“abc”已经在常量池中,则返回池中的字符串地址,否则,新建一个常量加入池中,并返回地址)

[符号引用]:编码是用字符串表示某个变量、接口的位置,直接引用就是根据符号引用翻译出来的地址,将在类链接阶段完成翻译 

---->[3.异常相关]-------------------------------------------
异常情况:OutOfMemoryError异常。 

图片描述


方法区、永久带和元空间简介

图片描述

方法区(Method Area):jvm规范里面的运行时数据区的一个组成部分(接口层面)
永久带(Perm):jdk7及之前的版本含有,是方法区的具体实现。(实现层面)
元空间(Metaspace):jdk8及之后的版本含有,是方法区的具体实现。(实现层面) # 元空间使用本地内存,不在JVM中

其实理解起来也不难:先定义和使用接口,再用具体实现完成工作。

2-5.Java堆

图片描述

Java 堆:存放对象
    |---新生代:存储新生的对象
        |--- Eden(E区):存放JVM中刚生成的Java对象
        |--- Survivor(S区)
            |--- FromSpace (S0)
            |--- ToSpace (S1)
    |---老年代:存储长期存活的对象
        |--- 年龄达标(新生代中GC下存活的次数),可通过 -XX:MaxTenuringThreshold 指定
        |--- 超大对象,直接进入老年代 。 

非堆:存储程序运行时长期存活的对象,比如类的元数据、方法、常量、属性等。

-XX:NewSize=        新生代大小
-XX:SurvivorRatio=  E区与两个S区的比值 默认 8:2
-XX:NewRatio=       新生代和老年代的比值  
-XX:MaxTenuringThreshold 进入老年代年龄阀值

-Xms 初始堆大小 : 默认是物理内存的1/64
-Xmx 最大堆大小 : 默认是物理内存的1/4
-XX:PermSize= 非堆内存初始值: 默认是物理内存的1/64
-XX:MaxPermSize= 最大非堆内存: 默认是物理内存的1/4
堆大小:新生代 + 老年代 + 持久代

三、堆与垃圾回收机制

Minor GC : 清理新生代
Full GC  : 清理整个堆空间

1:MinorGC
一般新创建对象进入E区,当E区内存用完后,触发MinorGC。
存活的对象最终进入SurvivorFrom

图片描述


2.Survivor的两个区域FromTo
1.当E区再度装满
2.触发MinorGC回收
3.存活的对象(包括From中)复制存放入To
4.To和From调换名称

图片描述


3.几个小问题:
[1].为什么要分新生代和老年代?
|--- 对象的生存状况不同,使用不同的回收算法,优化GC性能
|--- 在新生代对象可能被频繁创建或销毁(朝生夕死),老年代对象回收较少

[2].Survivor区存在的意义? 
提高对象进入老年代的门槛,减少FullGC 的次数(FullGC很耗时)

[3].S0和S1有什么作用?  
避免Survivor区空间的碎片化

四、垃圾回收算法

垃圾对象的判定
    |---引用计数法
    |---可达性分析
回收算法
    |---标记清除
    |---复制
    |---标记整理
    |---分代收集
垃圾回收器:
    |---Serial
    |---Parnew
    |---CMS
    |---G1

1.垃圾对象的判定
1-1.引用计数法
在对象中添加引用计数器,当该对象被引用时,引用计数器+1,引用失效时,计数器-1
对象循环引用会失效

1-1.可达性分析

Java中GC Root包括:

[1].虚拟机栈中的引用的对象。
[2].方法区中的类静态属性引用的对象。
[3].方法区中的常量引用的对象。
[4].本地方法栈(jni)即一般说的Native的引用对象。

图片描述

一个对象和GC Root之间没有链接,那么该对象可回收
比如ObjC和ObjB之间的连接断开,橙色区域的对象可回收


2.回收算法
2-1: 标记-清除(Mark-Sweep)

图片描述

---->[方式]----------------------------------
[1].标记出所有需要存活的对象
[2].标记完成之后统一回收掉未被标记的对象。

---->[缺点]----------------------------------
[1].标记和清除效率都不高。
[2].会产生大量的不连续的内存碎片。
大量空间碎片的缺点:当程序需要为较大对象分配内存时,无法找到足够的连续内存而出发GC。

2-2:标记-整理(Mark-Compact)

---->[方式]----------------------------------
[1].标记出所有存活的对象
[2].让所有存活的对象都向一端移动,在移动过程中清理掉未标记的对象

---->[优劣]----------------------------------
优:不会产生大量不连续内存碎片问题
劣:要执行较多的复制操作,效率将会变低,不适合存活率高的情况

2-3: 复制算法(Copy)

---->[方式]----------------------------------
[1].将可用内存按容量分成大小相等的两块,每次只使用其中一块。
[2].回收时,将内存中存活的对象复制到另一块内存,然后清理掉该内存空间

---->[优劣]----------------------------------
优:无空间碎片,实现简单,运行高效
劣:可使用的内存降为原来一半

2-4:分代收集

这不是什么算法,而是根据不同的代来使用何时的算法

新生代:可回收对象较多,回收率大。
    |--- 复制算法,高效,无碎片,从E区到S区。
老年代:可回收对象少,回收率低。
    |--- 标记-整理算法,无碎片。

3.垃圾回收器简介
---->[新生代回收器:minor GC]----------------------------
[1].Serial(串行GC)-复制
[2].ParNew(并行GC)-复制
[3].Parallel Scavenge(并行回收GC)-复制

---->[老年代回收器:full GC]----------------------------
[4].Serial Old(MSC)(串行GC)-标记-整理
[5].CMS(并发GC)-标记-清除
[6].Parallel Old(并行GC)--标记-整理

---->[G1独立完成]-------------------------------
[7].G1(JDK1.7+)

好了,综述就到这里。

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