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  • JVM机制

    2018-02-27 11:21:15
    JVM结构、内存分配、垃圾回收算法、垃圾收集器。下面我们一一来看。一、JVM结构根据《java虚拟机规范》规定,JVM的基本结构一般如下图所示:从左图可知,JVM主要包括... 关于类的加载机制,可以参考http://blog.csd...

    JVM结构、内存分配、垃圾回收算法、垃圾收集器。下面我们一一来看。

    一、JVM结构

    根据《java虚拟机规范》规定,JVM的基本结构一般如下图所示:


    从左图可知,JVM主要包括四个部分:

    1.类加载器(ClassLoader):在JVM启动时或者在类运行时将需要的class加载到JVM中。(右图表示了从java源文件到JVM的整个过程,可配合理解。 关于类的加载机制,可以参考http://blog.csdn.net/tonytfjing/article/details/47212291

    2.执行引擎:负责执行class文件中包含的字节码指令(执行引擎的工作机制,这里也不细说了,这里主要介绍JVM结构);

    3.内存区(也叫运行时数据区):是在JVM运行的时候操作所分配的内存区。运行时内存区主要可以划分为5个区域,如图:


    • 方法区(Method Area):用于存储类结构信息的地方,包括常量池、静态变量、构造函数等。虽然JVM规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分, 但它却有个别名non-heap(非堆),所以大家不要搞混淆了。方法区还包含一个运行时常量池。
    • java堆(Heap):存储java实例或者对象的地方。这块是GC的主要区域(后面解释)。从存储的内容我们可以很容易知道,方法区和堆是被所有java线程共享的。
    • java栈(Stack):java栈总是和线程关联在一起,每当创建一个线程时,JVM就会为这个线程创建一个对应的java栈。在这个java栈中又会包含多个栈帧,每运行一个方法就创建一个栈帧,用于存储局部变量表、操作栈、方法返回值等。每一个方法从调用直至执行完成的过程,就对应一个栈帧在java栈中入栈到出栈的过程。所以java栈是现成私有的。
    • 程序计数器(PC Register):用于保存当前线程执行的内存地址。由于JVM程序是多线程执行的(线程轮流切换),所以为了保证线程切换回来后,还能恢复到原先状态,就需要一个独立的计数器,记录之前中断的地方,可见程序计数器也是线程私有的。
    • 本地方法栈(Native Method Stack):和java栈的作用差不多,只不过是为JVM使用到的native方法服务的。
    4.本地方法接口:主要是调用C或C++实现的本地方法及返回结果。

    二、内存分配

    我觉得了解垃圾回收之前,得先了解JVM是怎么分配内存的,然后识别哪些内存是垃圾需要回收,最后才是用什么方式回收。

    Java的内存分配原理与C/C++不同,C/C++每次申请内存时都要malloc进行系统调用,而系统调用发生在内核空间,每次都要中断进行切换,这需要一定的开销,而Java虚拟机是先一次性分配一块较大的空间,然后每次new时都在该空间上进行分配和释放,减少了系统调用的次数,节省了一定的开销,这有点类似于内存池的概念;二是有了这块空间过后,如何进行分配和回收就跟GC机制有关了。

    java一般内存申请有两种:静态内存和动态内存。很容易理解,编译时就能够确定的内存就是静态内存,即内存是固定的,系统一次性分配,比如int类型变量;动态内存分配就是在程序执行时才知道要分配的存储空间大小,比如java对象的内存空间。根据上面我们知道,java栈、程序计数器、本地方法栈都是线程私有的,线程生就生,线程灭就灭,栈中的栈帧随着方法的结束也会撤销,内存自然就跟着回收了。所以这几个区域的内存分配与回收是确定的,我们不需要管的。但是java堆和方法区则不一样,我们只有在程序运行期间才知道会创建哪些对象,所以这部分内存的分配和回收都是动态的。一般我们所说的垃圾回收也是针对的这一部分。

    总之Stack的内存管理是顺序分配的,而且定长,不存在内存回收问题;而Heap 则是为java对象的实例随机分配内存,不定长度,所以存在内存分配和回收的问题;

    三、垃圾检测、回收算法

    垃圾收集器一般必须完成两件事:检测出垃圾;回收垃圾。怎么检测出垃圾?一般有以下几种方法:

    引用计数法:给一个对象添加引用计数器,每当有个地方引用它,计数器就加1;引用失效就减1。

    好了,问题来了,如果我有两个对象A和B,互相引用,除此之外,没有其他任何对象引用它们,实际上这两个对象已经无法访问,即是我们说的垃圾对象。但是互相引用,计数不为0,导致无法回收,所以还有另一种方法:

    可达性分析算法:以根集对象为起始点进行搜索,如果有对象不可达的话,即是垃圾对象。这里的根集一般包括java栈中引用的对象、方法区常良池中引用的对象

    本地方法中引用的对象等。

    总之,JVM在做垃圾回收的时候,会检查堆中的所有对象是否会被这些根集对象引用,不能够被引用的对象就会被垃圾收集器回收。一般回收算法也有如下几种:

    1.标记-清除(Mark-sweep)

    算法和名字一样,分为两个阶段:标记和清除。标记所有需要回收的对象,然后统一回收。这是最基础的算法,后续的收集算法都是基于这个算法扩展的。

    不足:效率低;标记清除之后会产生大量碎片。效果图如下:


    2.复制(Copying)

    此算法把内存空间划为两个相等的区域,每次只使用其中一个区域。垃圾回收时,遍历当前使用区域,把正在使用中的对象复制到另外一个区域中。此算法每次只处理正在使用中的对象,因此复制成本比较小,同时复制过去以后还能进行相应的内存整理,不会出现“碎片”问题。当然,此算法的缺点也是很明显的,就是需要两倍内存空间。效果图如下:


    3.标记-整理(Mark-Compact)

    此算法结合了“标记-清除”和“复制”两个算法的优点。也是分两阶段,第一阶段从根节点开始标记所有被引用对象,第二阶段遍历整个堆,把清除未标记对象并且把存活对象“压缩”到堆的其中一块,按顺序排放。此算法避免了“标记-清除”的碎片问题,同时也避免了“复制”算法的空间问题。效果图如下:


    (1,2,3 图文摘自 http://pengjiaheng.iteye.com/blog/520228,感谢原作者。)

    4.分代收集算法

    这是当前商业虚拟机常用的垃圾收集算法。分代的垃圾回收策略,是基于这样一个事实:不同的对象的生命周期是不一样的。因此,不同生命周期的对象可以采取不同的收集方式,以便提高回收效率。

    为什么要运用分代垃圾回收策略?在java程序运行的过程中,会产生大量的对象,因每个对象所能承担的职责不同所具有的功能不同所以也有着不一样的生命周期,有的对象生命周期较长,比如Http请求中的Session对象,线程,Socket连接等;有的对象生命周期较短,比如String对象,由于其不变类的特性,有的在使用一次后即可回收。试想,在不进行对象存活时间区分的情况下,每次垃圾回收都是对整个堆空间进行回收,那么消耗的时间相对会很长,而且对于存活时间较长的对象进行的扫描工作等都是徒劳。因此就需要引入分治的思想,所谓分治的思想就是因地制宜,将对象进行代的划分,把不同生命周期的对象放在不同的代上使用不同的垃圾回收方式。

    如何划分?将对象按其生命周期的不同划分成:年轻代(Young Generation)、年老代(Old Generation)、持久代(Permanent Generation)。其中持久代主要存放的是类信息,所以与java对象的回收关系不大,与回收息息相关的是年轻代和年老代。这里有个比喻很形象

    “假设你是一个普通的 Java 对象,你出生在 Eden 区,在 Eden 区有许多和你差不多的小兄弟、小姐妹,可以把 Eden 区当成幼儿园,在这个幼儿园里大家玩了很长时间。Eden 区不能无休止地放你们在里面,所以当年纪稍大,你就要被送到学校去上学,这里假设从小学到高中都称为 Survivor 区。开始的时候你在 Survivor 区里面划分出来的的“From”区,读到高年级了,就进了 Survivor 区的“To”区,中间由于学习成绩不稳定,还经常来回折腾。直到你 18 岁的时候,高中毕业了,该去社会上闯闯了。于是你就去了年老代,年老代里面人也很多。在年老代里,你生活了 20 年 (每次 GC 加一岁),最后寿终正寝,被 GC 回收。有一点没有提,你在年老代遇到了一个同学,他的名字叫爱德华 (慕光之城里的帅哥吸血鬼),他以及他的家族永远不会死,那么他们就生活在永生代。”

    具体区域可以通过VisualVM中的VisaulGC插件查看,如图(openjdk 1.7):


    年轻代:是所有新对象产生的地方。年轻代被分为3个部分——Enden区和两个Survivor区(From和to)当Eden区被对象填满时,就会执行Minor GC。并把所有存活下来的对象转移到其中一个survivor区(假设为from区)。Minor GC同样会检查存活下来的对象,并把它们转移到另一个survivor区(假设为to区)。这样在一段时间内,总会有一个空的survivor区。经过多次GC周期后,仍然存活下来的对象会被转移到年老代内存空间。通常这是在年轻代有资格提升到年老代前通过设定年龄阈值来完成的。需要注意,Survivor的两个区是对称的,没先后关系,from和to是相对的。

    年老代:在年轻代中经历了N次回收后仍然没有被清除的对象,就会被放到年老代中,可以说他们都是久经沙场而不亡的一代,都是生命周期较长的对象。对于年老代和永久代,就不能再采用像年轻代中那样搬移腾挪的回收算法,因为那些对于这些回收战场上的老兵来说是小儿科。通常会在老年代内存被占满时将会触发Full GC,回收整个堆内存。

    持久代:用于存放静态文件,比如java类、方法等。持久代对垃圾回收没有显著的影响。 

    分代回收的效果图如下:


    我这里之所以最后讲分代,是因为分代里涉及了前面几种算法。年轻代:涉及了复制算法;年老代:涉及了“标记-整理(Mark-Sweep)”的算法。

    四、垃圾收集器

    垃圾收集算法是内存回收的方法论,而实现这些方法论的则是垃圾收集器。不同厂商不同版本JVM所提供的垃圾收集器可能不同,这里参照《深入理解Java虚拟机》说的是JDK1.7版本Hotspot虚拟机,关于垃圾收集器有篇博文总结的不错,我就不说了,详见:http://blog.csdn.net/java2000_wl/article/details/8030172

    总结

    虽然我不认为学习java必须去了解Java底层的实现,但是我想如果你更加理解JVM和GC的话,你就会更加理解Java,在以后的学习和工作中绝对受益匪浅。毕竟我们的目标不是刷墙工,不是搬运工,而是开发攻城狮啊!

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  • JVM 机制介绍

    2015-06-18 14:41:23
    JVM 机制介绍 1. 什么是JVMJVM是Java Virtual Machine(Java虚拟机)的缩写,JVM是一种用于计算设备的规范,它是一个虚构出来的计算机,是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java虚拟机...

    JVM 机制介绍

    1. 什么是JVM?

    JVM是Java Virtual Machine(Java虚拟机)的缩写,JVM是一种用于计算设备的规范,它是一个虚构出来的计算机,是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java虚拟机包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。 JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息,使Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码(字节码),就可以在多种平台上不加修改地运行。JVM在执行字节码时,实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

    Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行,至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后,Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息,使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码(字节码),就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时,把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。这就是Java的能够“一次编译,到处运行”的原因。

    2. JRE/JDK/JVM是什么关系?

    JRE(JavaRuntimeEnvironment,Java运行环境),也就是Java平台。所有的Java 程序都要在JRE下才能运行。普通用户只需要运行已开发好的java程序,安装JRE即可。
    JDK(Java Development Kit)是程序开发者用来来编译、调试java程序用的开发工具包。JDK的工具也是Java程序,也需要JRE才能运行。为了保持JDK的独立性和完整性,在JDK的安装过程中,JRE也是 安装的一部分。所以,在JDK的安装目录下有一个名为jre的目录,用于存放JRE文件。
    JVM(JavaVirtualMachine,Java虚拟机)是JRE的一部分。它是一个虚构出来的计算机,是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。JVM有自己完善的硬件架构,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。Java语言最重要的特点就是跨平台运行。使用JVM就是为了支持与操作系统无关,实现跨平台。

    3. JVM原理

    JVM是java的核心和基础,在java编译器和os平台之间的虚拟处理器。它是一种利用软件方法实现的抽象的计算机基于下层的操作系统和硬件平台,可以在上面执行java的字节码程序。
     
    java编译器只要面向JVM,生成JVM能理解的代码或字节码文件。Java源文件经编译成字节码程序,通过JVM将每一条指令翻译成不同平台机器码,通过特定平台运行。
     
    4. JVM执行程序的过程
    1) 加载.class文件 2) 管理并分配内存 3) 执行垃圾收集
    JRE(java运行时环境)由JVM构造的java程序的运行环,也是Java程序运行的环境,但是他同时一个操作系统的一个应用程序一个进程,因此他也有他自己的运行的生命周期,也有自己的代码和数据空间。JVM在整个jdk中处于最底层,负责于操作系统的交互,用来屏蔽操作系统环境,提供一个完整的Java运行环境,因此也就虚拟计算机。操作系统装入JVM是通过jdk中Java.exe来完成,通过下面4步来完成JVM环境:1) 创建JVM装载环境和配置 2) 装载JVM.dll 3) 初始化JVM.dll并挂界到JNIENV(JNI调用接口)实例4) 调用JNIEnv实例装载并处理class类。
     
    5. JVM的生命周期
    1) JVM实例对应了一个独立运行的java程序它是进程级别
    a) 启动。启动一个Java程序时,一个JVM实例就产生了,任何一个拥有public static void
    main(String[] args)函数的class都可以作为JVM实例运行的起点
    b) 运行。main()作为该程序初始线程的起点,任何其他线程均由该线程启动。JVM内部有两种线程:守护线程和非守护线程,main()属于非守护线程,守护线程通常由JVM自己使用,java程序也可以表明自己创建的线程是守护线程
    c) 消亡。当程序中的所有非守护线程都终止时,JVM才退出;若安全管理器允许,程序也可以使用Runtime类或者System.exit()来退出
     
    2) JVM执行引擎实例则对应了属于用户运行程序的线程它是线程级别的
     
    6. JVM的体系结构
     
    • 类装载器(ClassLoader)(用来装载.class文件)
    • 执行引擎(执行字节码,或者执行本地方法)
    • 运行时数据区(方法区、堆、java栈、PC寄存器、本地方法栈)

    7. JVM运行时数据区

    第一块:PC寄存器

    PC寄存器是用于存储每个线程下一步将执行的JVM指令,如该方法为native的,则PC寄存器中不存储任何信息。

    第二块:JVM栈

    JVM栈是线程私有的,每个线程创建的同时都会创建JVM栈,JVM栈中存放的为当前线程中局部基本类型的变量(java中定义的八种基本类型:boolean、char、byte、short、int、long、float、double)、部分的返回结果以及Stack Frame非基本类型的对象在JVM栈上仅存放一个指向堆上的地址。

    第三块:堆(Heap)

    它是JVM用来存储对象实例以及数组值的区域,可以认为Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配,Heap中的对象的内存需要等待GC进行回收。

    (1) 堆是JVM中所有线程共享的,因此在其上进行对象内存的分配均需要进行加锁,这也导致了new对象的开销是比较大的

    (2) Sun Hotspot JVM为了提升对象内存分配的效率,对于所创建的线程都会分配一块独立的空间TLAB(Thread Local Allocation Buffer),其大小由JVM根据运行的情况计算而得,在TLAB上分配对象时不需要加锁,因此JVM在给线程的对象分配内存时会尽量的在TLAB上分配,在这种情况下JVM中分配对象内存的性能和C基本是一样高效的,但如果对象过大的话则仍然是直接使用堆空间分配

    (3) TLAB仅作用于新生代的Eden Space,因此在编写Java程序时,通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效。

    (4) 所有新创建的Object 都将会存储在新生代Yong Generation中。如果Young Generation的数据在一次或多次GC后存活下来,那么将被转移到OldGeneration。新的Object总是创建在Eden Space。

    第四块:方法区域(Method Area)

    (1)在Sun JDK中这块区域对应的为PermanetGeneration,又称为持久代。

    (2)方法区域存放了所加载的类的信息(名称、修饰符等)、类中的静态变量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息,当开发人员在程序中通过Class对象中的getName、isInterface等方法来获取信息时,这些数据都来源于方法区域,同时方法区域也是全局共享的,在一定的条件下它也会被GC,当方法区域需要使用的内存超过其允许的大小时,会抛出OutOfMemory的错误信息。

    第五块:运行时常量池(Runtime Constant Pool)

    存放的为类中的固定的常量信息、方法和Field的引用信息等,其空间从方法区域中分配。

    第六块:本地方法堆栈(Native Method Stacks)

    JVM采用本地方法堆栈来支持native方法的执行,此区域用于存储每个native方法调用的状态。

    8. JVM垃圾回收

    GC (Garbage Collection)的基本原理:将内存中不再被使用的对象进行回收,GC中用于回收的方法称为收集器,由于GC需要消耗一些资源和时间,Java在对对象的生命周期特征进行分析后,按照新生代、旧生代的方式来对对象进行收集,以尽可能的缩短GC对应用造成的暂停

    (1)对新生代的对象的收集称为minor GC;

    (2)对旧生代的对象的收集称为Full GC;

    (3)程序中主动调用System.gc()强制执行的GC为Full GC。

    不同的对象引用类型, GC会采用不同的方法进行回收,JVM对象的引用分为了四种类型:

    (1)强引用:默认情况下,对象采用的均为强引用(这个对象的实例没有其他对象引用,GC时才会被回收)

    (2)软引用:软引用是Java中提供的一种比较适合于缓存场景的应用(只有在内存不够用的情况下才会被GC)

    (3)弱引用:在GC时一定会被GC回收

    (4)虚引用:由于虚引用只是用来得知对象是否被GC

     

    主要内容来自:http://baike.baidu.com/link?url=r1DppgYdvfVHc2I0uVBfCgYd0MiNXrSMKU-E3AL_O5yvrQ3fL1FNvpNgS9MUk9H-#4 及 http://wenku.baidu.com/link?url=UXf-aoHl8YCX535q4G2qC48OExWk9ttLaIPW4Qn-GvdeSrM0WSjuAbq_78MJUrHq46ZS-8OsHDCMKkwmJTmXkPrkBZmbNqOA49iDyxsLIkm


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  • 学习了解Java的JVM机制

    2018-10-09 10:36:35
    了解Java的JVM机制。 什么是JVM呢?Java语言:一次编译,处处运行。靠的就是JVM机制。 我们写好的.java文件,首先会被编译成字节码文件(既.class文件),这个文件首先会被加载到jvm.cfg文件中(这个文件在jdk安装...

    了解Java的JVM机制。

    什么是JVM呢?Java语言:一次编译,处处运行。靠的就是JVM机制。

    我们写好的.java文件,首先会被编译成字节码文件(既.class文件),这个文件首先会被加载到jvm.cfg文件中(这个文件在jdk安装的目录下,我的在C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_181\jre\lib\amd64下),字节码文件加载到这个文件中后,然后通过jvm.dll文件进行执行(这个文件是jvm的主要实现),接下来会初始化JVM,并且获得JNI接口(这个接口就是本地java接口),进而找到class文件加载到JVM中,找到main方法进行执行。

     

    JVM的基本结构

    class文件被加载到JVM中,在类加载器子系统中,然后分配到内存空间,内存空间主要包括:方法区,java堆,java栈,本地方法栈。

    方法区:是线程共享的,主要存放静态变量,常量等。

    java堆:线程共享,存放类的实例。

    java栈:每个线程私有的,一个线程对应一个java栈,空间比较大,一般在递归的时候,如果递归的深度太大,会抛出        StackOverflowError异常。

    本地方法栈:用来执行本地方法,和java栈类似。

     

     

    大致了解一下,具体的东西还要深入学习。

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  • JVM机制、静态绑定和动态绑定的一些个人理解。

     在Java中,绑定分为静态绑定和动态绑定,又称为前期绑定和后期绑定。一个程序的执行,要经过编译和执行(解释)两个步骤。

    1. 什么是绑定?
     当子类和父类(接口和实现类)存在同一个方法时,子类重写父类(接口)方法时,程序在运行时调用的方法时,是调用父类(接口)的方法呢?还是调用子类的方法呢?我们将确定这种调用何种方法的操作称之为绑定。
     绑定又分为静态绑定和动态绑定。

    2. 静态绑定
     所谓的静态绑定就是在程序执行前就已经被绑定了(也就是说在编译过程中就已经知道这个方法是哪个类中的方法)。静态绑定使用类信息完成的,重载的方法使用静态绑定来完成的。
     Java中只有private、static和final修饰的方法以及构造方法是静态绑定。
    <1>private方法的特点是不能被继承,也就是不存在调用其子类的对象,只能调用对象自身,因此private方法和定义该方法的类绑定在一起。

    <2>static方法又称类方法,类方法属于类文件。它不依赖对象而存在,在调用的时候就已经知道是哪个类的,所以是类方法是属于静态绑定。

    <3>final方法:final方法可以被继承,但是不能被重写,所以也就是说final方法是属于静态绑定的,因为调用的方法是一样的。
     总结:如果一个方法不可被继承或者继承后不可被覆盖,那么这个方法就采用的静态绑定。

    3. 动态绑定
     编译器在每次调用方法时都要进行搜索,时间开销相当大。因此虚拟机会预先为每个类创建一个方发表(method table),其中列出了所有方法的签名和实际调用的方法。
    动态绑定过程:
     <1>虚拟机提取对象的实际类型的方法表。
     <2>虚拟机搜索方法签名,此时虚拟机已经知道应该调用哪种方法。(PS:方法的签名包括了:1.方法名 2.参数的数量和类型~~~~返回类型不是签名的一部分。)
     <3>虚拟机调用方法。

    4. Java的编译和运行
    编译过程:是将java源文件(后缀.java)编译成字节码文件(后缀.class),在这个过程中,java不和内存打交道,编译时期会进行语法的分析,如果语法不正确就会报错。
    运行过程:是指JVM虚拟机装载字节码文件并进行解释执行。这个过程会和内存打交道,是真正进行内存分布,执行java程序。

    5. Java字节码执行方式
     第一种:即时编译方式,解释器先将字节编译成机器码,然后再执行机器码。
     第二种:解释执行方式,解释器通过每次解释并执行一小段代码来完成java字节码程序的所有操作。

    6. 动静态优化建议
     由于动态绑定需要在运行时确定执行哪个版本的方法实现或者变量,比起静态绑定起来要耗时。所以在不影响整体设计,我们可以考虑将方法或者变量使用private,static或者final进行修饰。这边优化的内容就涉及到了内联的知识。

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  • 深入理解 JVM 机制

    2011-04-21 13:17:28
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    千次阅读 2012-11-02 12:52:37
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空空如也

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