jvm浅析

一 、jvm 内存模型

作用：JVM不仅承担了Java字节码的分析（JIT compiler）和执行（Runtime），同时也内置了自动内存分配管理机制。

JVM模型图.jpg

1 、 堆(Heap)

堆是 JVM 内存中最大的一块内存空间，该内存被所有线程共享，几乎所有对象和数组都被分配到了堆内存中

2、程序计数器(Program Counter Register)

程序计数器是一块很小的内存空间，主要用来记录各个线程执行的字节码的地址，例如，分支、循环、跳转、异常、线程恢复等都依赖于计数器。

3、方法区(Method Area)

方法区主要是用来存放已被虚拟机加载的类相关信息，
包括类信息、运行时常量池、字符串常量池。
类信息又包括了类的版本、字段、方法、接口和父类等信息。

方法区与堆空间类似，也是一个共享内存区，所以方法区是线程共享的。
假如两个线程都试图访问方法区中的同一个类信息，而这个类还没有装入 JVM，那么此时就只允许一个线程去加载它，另一个线程必须等待。

4、虚拟机栈(VM stack)

线程私有的内存空间，和线程一起创建，
当创建一个线程时，虚拟机栈中申请一个线程栈，用来保存方法的局部变量、操作数栈、动态链接方法和返回地址等信息，并参与方法的调用和返回。
每一个方法的调用都伴随着栈帧的入栈操作，方法的返回则是栈帧的出栈操作。

5、本地方法栈(Native Method Stack)

Java 虚拟机栈用于管理 Java 函数的调用，而本地方法栈则用于管理本地方法的调用。
本地方法由 C 语言实现的。

二 、JVM的运行原理

1 、JVM 向操作系统申请内存，通过配置参数或者默认配置参数向操作系统申请内存空间，
根据内存大小找到具体的内存分配表，然后把内存段的起始地址和终止地址分配给 JVM，接下来 JVM 就进行内部分配。

2 、JVM 获得内存空间后，会根据配置参数分配堆、栈以及方法区的内存大小。

3 、class文件加载、验证、准备以及解析，其中准备阶段会为类的静态变量分配内存，初始化为系统的初始值

4 、初始化阶段，JVM首先会执行构造器方法，编译器会在.java文件被编译成.class 文件时，
收集所有类的初始化代码，包括静态变量赋值语句、静态代码块、静态方法，收集在一起成为方法。

5 、 执行方法、堆内存中会创建一个对象，对象引用存放在栈中。

三 、 类编译加载执行过程

类编译加载执行过程.jpg

1、类编译

.java文件变成.class文件，编译后的字节码文件主要包括常量池和方法表集合这两部分

2 、类加载

不同的实现类由不同的类加载器加载，
JDK 中的本地方法类一般由根加载器（Bootstrp loader）加载进来，
JDK 中内部实现的扩展类一般由扩展加载器（ExtClassLoader ）实现加载，
而程序中的类文件则由系统加载器（AppClassLoader ）实现加载
在类加载后，class 类文件中的常量池信息以及其它数据会被保存到 JVM 内存的方法区中

3 、类连接

验证：验证类符合 Java 规范和 JVM 规范。
准备：为类的静态变量分配内存，初始化为系统的初始值。
解析：将符号引用转为直接引用的过程(JVM 可以直接获取的内存地址或指针)。

4 、类初始化

JVM首先将执行构造器方法，
编译器会在将 .java 文件编译成 .class 文件时，
收集所有类初始化代码，包括静态变量赋值语句、静态代码块、静态方法，收集在一起成为构造方法
JVM 会保证构造方法的线程安全，保证同一时间只有一个线程执行。

5 、即时编译

在字节码转换为机器码的过程中，虚拟机中还存在着一道编译，那就是即时编译。
即时编译器（JIT）会把运行比较频繁的代码编译成与本地平台相关的机器码，
并进行各层次的优化，然后保存到内存中。

6、编译优化技术

1、方法内联
把目标方法的代码复制到发起调用的方法之中，避免发生真实的方法调用，减少时间和空间的消耗。
2 、逃逸分析
是判断一个对象是否被外部方法引用或外部线程访问的分析技术，编译器会根据逃逸分析的结果对代码进行优化。
栈上分配：
如果发现一个对象只在方法中使用，就会将对象分配在栈上；相比于在堆中分配内存，垃圾回收机制回收消耗性能与时间更少。
锁消除:
在局部方法中创建的对象只能被当前线程访问，无法被其它线程访问，
这个变量的读写肯定不会有竞争，这个时候 JIT 编译会对这个对象的方法锁进行锁消除。
标量替换:
逃逸分析证明一个对象不会被外部访问，将对象拆分后，可以分配对象的成员变量在栈或寄存器上，原本的对象就无需分配内存空间了

四、 垃圾回收机制

1、回收发生在哪里？

VM 的内存区域中，程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈这 3 个区域是线程私有的，随着线程的创建而创建，销毁而销毁，因此这三个区域的内存分配和回收都具有确定性。
那么垃圾回收的重点就是堆和方法区中的内存，
堆中的回收主要是对象的回收，
方法区的回收主要是废弃常量和无用的类的回收。

2、对象在什么时候可以被回收？

一般一个对象不再被引用，就代表该对象可以被回收。
引用计数算法：当对象的引用计数器的值为 0 时，就说明该对象不再被引用，可以被回收了。
可达性分析算法：当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连时，就证明此对象是不可用的(HotSpot 虚拟机采用的就是这种算法)。

3、 如何回收这些对象？

自动性：当 JVM 处于空闲循环时，垃圾收集器线程会自动检查每一块分配出去的内存空间，然后自动回收每一块空闲的内存块。
不可预期性: 垃圾回收线程在 JVM 中是自动执行的，Java 程序无法强制执行。只能通过System.gc方法建议回收。

4、GC算法

GC算法.jpg

5、GC性能衡量指标

吞吐量：这里的吞吐量是指应用程序所花费的时间和系统总运行时间的比值。
停顿时间：指垃圾收集器正在运行时，应用程序的暂停时间。
垃圾回收频率：适当地增大堆内存空间，保证正常的垃圾回收频率。

6、GC调优策略

1、 降低 新生代 GC( Minor GC) 频率
通常在虚拟机中，复制对象的成本要远高于扫描成本。
2、 降低 Full GC 的频率
减少创建大对象，增大堆内存空间。

7、选择合适的 GC 回收器

响应速度较快：CMS(Concurrent Mark Sweep)回收器和 G1 回收器
吞吐量高：Parallel Scavenge 回收器
在 JDK1.8 环境下，默认使用的是 Parallel Scavenge（年轻代）+Serial Old（老年代）垃圾收集器

堆外内存减少内存拷贝：

Socket 堆外内存：
使用ByteBuffer.allocateDirect()得到一个DirectByteBuffer对象,初始化堆外内存大小;
里面会创建Cleaner对象,绑定当前this.DirectByteBuffer的回收,通过put,get传递进去Byte数组,或者序列化对象;
Cleaner对象实现一个虚引用(当内存被回收时,会受到一个系统通知)当Full GC的时候,如果DirectByteBuffer标记为垃圾被回收,则Cleaner会收到通知调用clean()方法,回收堆外内存DirectByteBuffer。

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