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JVM工作原理和流程

JVM工作原理和流程

作者: 步二小哥 | 来源:发表于2019-08-11 08:14 被阅读0次

    JVM的体系结构

    Java是一种技术,它由四方面组成:Java编程语言、Java类文件格式、Java虚拟机和Java应用程序接口(Java API)。它们的关系如下图所示:

    运行期环境代表着Java平台,开发人员编写Java代码(.java文件),然后将之编译成字节码(.class文件),再然后字节码被装入内存,一旦字节码进入虚拟机,它就会被解释器解释执行,或者是被即时代码发生器有选择的转换成机器码执行。

    Java平台由Java虚拟机和Java应用程序接口搭建,Java语言则是进入这个平台的通道,用Java语言编写并编译的程序可以运行在这个平台上。这个平台的结构如下图所示:

    在Java平台的结构中, 可以看出,Java虚拟机(JVM) 处在核心的位置,是程序与底层操作系统和硬件无关的关键。它的下方是移植接口,移植接口由两部分组成:适配器和Java操作系统, 其中依赖于平台的部分称为适配器;JVM 通过移植接口在具体的平台和操作系统上实现;在JVM 的上方是Java的基本类库和扩展类库以及它们的API, 利用Java API编写的应用程序(application) 和小程序(Java applet) 可以在任何Java平台上运行而无需考虑底层平台, 就是因为有Java虚拟机(JVM)实现了程序与操作系统的分离,从而实现了Java 的平台无关性。 

    JVM在它的生存周期中有一个明确的任务,那就是运行Java程序,因此当Java程序启动的时候,就产生JVM的一个实例;当程序运行结束的时候,该实例也跟着消失了。下面我们从JVM的体系结构和它的运行过程这两个方面来对它进行比较深入的研究。

    JVM类加载机制

    ·每个JVM都有两种机制:

    ①类装载子系统:装载具有适合名称的类或接口

    ②执行引擎:负责执行包含在已装载的类或接口中的指令 

    ·每个JVM都包含

    方法区、Java堆、Java栈、本地方法栈、指令计数器及其他隐含寄存器

    对于JVM的学习,在我看来这么几个部分最重要:

    Java代码编译和执行的整个过程

    JVM内存管理及垃圾回收机制

    下面分别对这几部分进行说明:

    下面我们来解析这几个区域

    1、程序计数器:

    指向当前线程正在执行的字节码指令。线程私有的。

    2、虚拟机栈:

    虚拟机栈是Java执行方法的内存模型。每个方法被执行的时候,都会创建一个栈帧,把栈帧压人栈,当方法正常返回或者抛出未捕获的异常时,栈帧就会出栈。

    (1)栈帧:栈帧存储方法的相关信息,包含局部变量数表、返回值、操作数栈、动态链接

    a、局部变量表:包含了方法执行过程中的所有变量。局部变量数组所需要的空间在编译期间完成分配,在方法运行期间不会改变局部变量数组的大小。

    b、返回值:如果有返回值的话,压入调用者栈帧中的操作数栈中,并且把PC的值指向 方法调用指令 后面的一条指令地址。

    c、操作数栈:操作变量的内存模型。操作数栈的最大深度在编译的时候已经确定(写入方法区code属性的max_stacks项中)。操作数栈的的元素可以是任意Java类型,包括long和double,32位数据占用栈空间为1,64位数据占用2。方法刚开始执行的时候,栈是空的,当方法执行过程中,各种字节码指令往栈中存取数据。

    d、动态链接:每个栈帧都持有在运行时常量池中该栈帧所属方法的引用,持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态链接。

    (2)线程私有

    3、本地方法栈:

    (1)调用本地native的内存模型

    (2)线程独享。

    4、方法区:

    用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据

    (1)线程共享的

    (2)运行时常量池:

    A、是方法区的一部分

    B、存放编译期生成的各种字面量和符号引用

    C、Class文件中除了存有类的版本、字段、方法、接口等描述信息,还有一项是常量池,存有这个类的 编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后,存放到方法区的运行时常量池中。

    5、Java 堆

    JMM Java内存模型:

    1、 Java的并发采用“共享内存”模型,线程之间通过读写内存的公共状态进行通讯。多个线程之间是不能通过直接传递数据交互的,它们之间交互只能通过共享变量实现。

    2、 主要目的是定义程序中各个变量的访问规则。

    3、 Java内存模型规定所有变量都存储在主内存中,每个线程还有自己的工作内存。

    (1) 线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的拷贝(从主内存中拷贝过来),线程对变量的所有操作都必须在工作内存中执行,而不能直接访问主内存中的变量。

    (2) 不同线程之间无法直接访问对方工作内存的变量,线程间变量值的传递都要通过主内存来完成。

    (3) 主内存主要对应Java堆中实例数据部分。工作内存对应于虚拟机栈中部分区域。

    4、Java线程之间的通信由内存模型JMM(Java Memory Model)控制。

    (1)JMM决定一个线程对变量的写入何时对另一个线程可见。

    (2)线程之间共享变量存储在主内存中

    (3)每个线程有一个私有的本地内存,里面存储了读/写共享变量的副本。

    (4)JMM通过控制每个线程的本地内存之间的交互,来为程序员提供内存可见性保证。

    5、可见性、有序性:

    (1)当一个共享变量在多个本地内存中有副本时,如果一个本地内存修改了该变量的副本,其他变量应该能够看到修改后的值,此为可见性。

    (2)保证线程的有序执行,这个为有序性。(保证线程安全)

    6、内存间交互操作:

    (1)lock(锁定):作用于主内存的变量,把一个变量标识为一条线程独占状态。

    (2)unlock(解锁):作用于主内存的变量,把一个处于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量才可以被其他线程锁定。

    (3)read(读取):作用于主内存变量,把主内存的一个变量读取到工作内存中。

    (4)load(载入):作用于工作内存,把read操作读取到工作内存的变量载入到工作内存的变量副本中

    (5)use(使用):作用于工作内存的变量,把工作内存中的变量值传递给一个执行引擎。

    (6)assign(赋值):作用于工作内存的变量。把执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量。

    (7)store(存储):把工作内存的变量的值传递给主内存

    (8)write(写入):把store操作的值入到主内存的变量中

    6.1、注意:

    (1)不允许read、load、store、write操作之一单独出现

    (2)不允许一个线程丢弃assgin操作

    (3)不允许一个线程不经过assgin操作,就把工作内存中的值同步到主内存中

    (4)一个新的变量只能在主内存中生成

    (5)一个变量同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作。但lock操作可以被同一条线程执行多次,只有执行相同次数的unlock操作,变量才会解锁

    (6)如果对一个变量进行lock操作,将会清空工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这个变量前,需要重新执行load或者assgin操作初始化变量的值。

    (7)如果一个变量没有被锁定,不允许对其执行unlock操作,也不允许unlock一个被其他线程锁定的变量

    (8)对一个变量执行unlock操作之前,需要将该变量同步回主内存中

    堆的内存划分:

    Java堆的内存划分如图所示,分别为年轻代、Old Memory(老年代)、Perm(永久代)。其中在Jdk1.8中,永久代被移除,使用MetaSpace代替。

    1、新生代:

    (1)使用复制清除算法(Copinng算法),原因是年轻代每次GC都要回收大部分对象。新生代里面分成一份较大的Eden空间和两份较小的Survivor空间。每次只使用Eden和其中一块Survivor空间,然后垃圾回收的时候,把存活对象放到未使用的Survivor(划分出from、to)空间中,清空Eden和刚才使用过的Survivor空间。

    (2)分为Eden、Survivor From、Survivor To,比例默认为8:1:1

    (3)内存不足时发生Minor GC

    2、老年代:

    (1)采用标记-整理算法(mark-compact),原因是老年代每次GC只会回收少部分对象。

    3、Perm:用来存储类的元数据,也就是方法区。

    (1)Perm的废除:在jdk1.8中,Perm被替换成MetaSpace,MetaSpace存放在本地内存中。原因是永久代进场内存不够用,或者发生内存泄漏。

    (2)MetaSpace(元空间):元空间的本质和永久代类似,都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于:元空间并不在虚拟机中,而是使用本地内存。

    4、堆内存的划分在JVM里面的示意图:

    GC垃圾回收:

    一、 判断对象是否要回收的方法:可达性分析法

    1、 可达性分析法:通过一系列“GC Roots”对象作为起点进行搜索,如果在“GC Roots”和一个对象之间没有可达路径,则称该对象是不可达的。不可达对象不一定会成为可回收对象。进入DEAD状态的线程还可以恢复,GC不会回收它的内存。(把一些对象当做root对象,JVM认为root对象是不可回收的,并且root对象引用的对象也是不可回收的)

    2、 以下对象会被认为是root对象:

    (1) 虚拟机栈(栈帧中本地变量表)中引用的对象

    (2) 方法区中静态属性引用的对象

    (3) 方法区中常量引用的对象

    (4) 本地方法栈中Native方法引用的对象

    3、 对象被判定可被回收,需要经历两个阶段:

    (1) 第一个阶段是可达性分析,分析该对象是否可达

    (2) 第二个阶段是当对象没有重写finalize()方法或者finalize()方法已经被调用过,虚拟机认为该对象不可以被救活,因此回收该对象。(finalize()方法在垃圾回收中的作用是,给该对象一次救活的机会)

    4、 方法区中的垃圾回收:

    (1) 常量池中一些常量、符号引用没有被引用,则会被清理出常量池

    (2) 无用的类:被判定为无用的类,会被清理出方法区。判定方法如下:

    A、 该类的所有实例被回收

    B、 加载该类的ClassLoader被回收

    C、 该类的Class对象没有被引用

    5、 finalize():

    (1) GC垃圾回收要回收一个对象的时候,调用该对象的finalize()方法。然后在下一次垃圾回收的时候,才去回收这个对象的内存。

    (2) 可以在该方法里面,指定一些对象在释放前必须执行的操作。

    二、 发现虚拟机频繁full GC时应该怎么办:

    (full GC指的是清理整个堆空间,包括年轻代和永久代)

    (1) 首先用命令查看触发GC的原因是什么 jstat –gccause 进程id

    (2) 如果是System.gc(),则看下代码哪里调用了这个方法

    (3) 如果是heap inspection(内存检查),可能是哪里执行jmap –histo[:live]命令

    (4) 如果是GC locker,可能是程序依赖的JNI库的原因

    三、常见的垃圾回收算法:

    1、Mark-Sweep(标记-清除算法):

    (1)思想:标记清除算法分为两个阶段,标记阶段和清除阶段。标记阶段任务是标记出所有需要回收的对象,清除阶段就是清除被标记对象的空间。

    (2)优缺点:实现简单,容易产生内存碎片

    2、Copying(复制清除算法):

    (1)思想:将可用内存划分为大小相等的两块,每次只使用其中的一块。当进行垃圾回收的时候了,把其中存活对象全部复制到另外一块中,然后把已使用的内存空间一次清空掉。

    (2)优缺点:不容易产生内存碎片;可用内存空间少;存活对象多的话,效率低下。

    3、Mark-Compact(标记-整理算法):

    (1)思想:先标记存活对象,然后把存活对象向一边移动,然后清理掉端边界以外的内存。

    (2)优缺点:不容易产生内存碎片;内存利用率高;存活对象多并且分散的时候,移动次数多,效率低下

    4、分代收集算法:(目前大部分JVM的垃圾收集器所采用的算法):

    思想:把堆分成新生代和老年代。(永久代指的是方法区)

    (1) 因为新生代每次垃圾回收都要回收大部分对象,所以新生代采用Copying算法。新生代里面分成一份较大的Eden空间和两份较小的Survivor空间。每次只使用Eden和其中一块Survivor空间,然后垃圾回收的时候,把存活对象放到未使用的Survivor(划分出from、to)空间中,清空Eden和刚才使用过的Survivor空间。

    (2) 由于老年代每次只回收少量的对象,因此采用mark-compact算法。

    (3) 在堆区外有一个永久代。对永久代的回收主要是无效的类和常量

    5、GC使用时对程序的影响? 

    垃圾回收会影响程序的性能,Java虚拟机必须要追踪运行程序中的有用对象,然后释放没用对象,这个过程消耗处理器时间

    6、几种不同的垃圾回收类型:

    (1)Minor GC:从年轻代(包括Eden、Survivor区)回收内存。

    A、当JVM无法为一个新的对象分配内存的时候,越容易触发Minor GC。所以分配率越高,内存越来越少,越频繁执行Minor GC

    B、执行Minor GC操作的时候,不会影响到永久代(Tenured)。从永久代到年轻代的引用,被当成GC Roots,从年轻代到老年代的引用在标记阶段直接被忽略掉。

    (2)Major GC:清理整个老年代,当eden区内存不足时触发。

    (3)Full GC:清理整个堆空间,包括年轻代和老年代。当老年代内存不足时触发

    6、直接内存

    直接内存(Direct Memory)虽然不是程序运行时数据区的一部分,也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域,但这部分内存也被频繁使用,而且它也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

    在JDK1.4中新加入了NIO(New Input/Output)类,引入了一种基于通道(Channel)与缓冲区(Buffer)的I/O方式,它可以使用Native方法库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在Java堆里面的DirecByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在某些应用场景中显著提高性能,因为它避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

    显然,本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制,但是,还是会受到本机总内存(包括RAM及SWAP区或者分页文件)的大小及处理器寻址空间的限制,从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

    7、执行引擎

    将字节码即时编译 优化 为本地代码, 然后执行。

    在了解完这些知识以后,就可以知道:类和对象在运行时的内存里是怎么样的?以及各类型变量、方法在运行时是怎么交互的?

    在程序运行时类是在方法区,实例对象本身在堆里面。

    方法字节码在方法区。线程调用方法执行时创建栈帧并压栈,方法的参数和局部变量在栈帧的局部变量表。

    对象的实例变量和对象一起在堆里,所以各个线程都可以共享访问对象的实例变量。

    静态变量在方法区,所有对象共享。字符串常量等常量在运行时常量池。

    各线程调用的方法,通过堆内的对象,方法区的静态数据,可以共享交互信息。

    各线程调用的方法所有参数传递、方法返回值的返回,都是使用栈帧里的操作数栈来完成的。

    参考:

    https://blog.csdn.net/qq_33384065/article/details/80282023

    https://segmentfault.com/a/1190000014395186

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