第4章 走进JVM

JVM思维导图，介绍了字节码、类加载过程、内存布局、垃圾回收、对象实例化这几个方面的内容，带领我们走进JVM。

走进JVM

• 字节码：一个字节(8位)可以存储256不同的指令信息，这样的字节即字节码
  • 主要指令
    • 加载或存储指令
    • 运算指令
    • 类型转换指令
    • 对象创建与访问指令
    • 操作栈管理指令
    • 方法调用与返回指令
    • 同步指令
  • 源文件转字节码过程
    • .java————词法解析————语法解析————语义分析————生成字节码————字节码
  • 字节码必须通过类加载过程加载到JVM环境后，才能执行。
    • 执行的三种模式
      • 解释执行
      • JIT编译执行
      • JIT编译执行与解释混合执行(主流JVM默认执行模式) 优势：解释器在启动时先解释执行，省去编译时间。 JIT作用：将Java字节码动态地编译成可以直接发送给处理器指令执行的机器码。
• 类加载过程：
  • 是一个将.class字节码文件实例化成Class对象并进行相关初始化的过程。JVM会初始化继承树上还没有被初始化过的所有父类，并会执行这链路上所有未执行的静态代码块、静态变量赋值语句。
    • Load 加载：读取类文件产生二进制流，并转化为特定的数据结构，进行初步的校验(常量池、文件长度、是否有父类)，然后创建对应类的实例
    • Link 链接
      • 验证：更详细的验证，例类型是否正确、静态变量是否合理
      • 准备；为静态变量分配内存，并设定默认值
      • 解析：解析类和方法确保类之间的相互引用正确性，完成内存结构布局
    • Init 初始化：执行类构造器方法<clinit>，
  • new 和newInstance区别：
    • new 是强类型校验，可以调用任何构造方法，在使用new操作时，这个类可以没有加载过；
    • Class类下的newInstance是弱类型，只能调用无参构造方法，如果没有默认方法，就抛出InstantiationException(实例化)异常，如果此构造方法没有权限访问，则抛出IllegalAccessException 异常。
  • 类加载器
    • Bootstrap ClassLoader
    • Platform ClassLoader (JDK9之前的加载器Extension ClassLoader) 平台类加载器，
    • Application ClassLoader 应用类加载器，加载用户定义的CLASSPATH路径下的类
    • 自定义类加载器
      • 实现自定义类加载器的步骤：继承 ClassLoader,重写 findClass()方法，调用defineClass()方法
      • 自定义类加载器应用场景：
        • 隔离加载类
        • 修改类加载方式
        • 扩展加载源
        • 防止源码泄露
• 内存布局
  • Heap（堆区）
    • 存储着几乎所有的实例对象，堆由垃圾收集器自动回收，堆区由各子线程共享使用。 JVM运行时参数：-Xms1024M -Xmx1024;分别代表最小堆容量和最大对容量
    • 新生代
      • Eden
        • 当Eden 区装填满的时候 会触发 Young Garbage Collection,即 YGC
        • -XX:MaxTenuringThreshold 参数能配置计数器的值到达某个阐值的时候 对象从新生代 晋升至老年代
        • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError ，让JVM 遇到 OOM 异常时能输出堆内信息，特别是对相隔数月才出现的 OOM 异常尤为重要。
      • Servivor0 和 Servivor1
        • 每次YGC时候，它们将存活的对象复制到未使用的那块空间，然后将当前正在使用的空间完全清除，交换两块空间的使用状态
    • 老年代 :
      • 接纳新生代无法容纳的超大对象
      • 对象存活超过阈值，晋升至老年代
    • -Xmx：最大堆大小 -Xms：初始堆大小 -Xmn: 年轻代大小 -XXSurvivorRatio：年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值
  • Metespace（元空间）
    • JDK8使用元空间替换永久代(Perm)，
    • 元空间在本地内存中分配，在 JDK8 里， Perm 区中的所有内容中字符串常量移至堆内存，其他内容包括类元信息、字段、静态属性、方法、常量等都移动至元空间内
  • JVM Stack（虚拟机栈）
    • 虚拟机通过压栈和出栈的方式，对每个方法对应的活动栈帧进行运算处理
    • 栈（stack）是一个先进后出的数据结构
    • 每个方法从开始调用到执行完成的过程，就是栈帧从入栈到出栈的过程
    • 当前栈帧：只有位于栈顶的栈帧才是有效的，所有指令都只能针对当前栈帧进行操作
    • StackOverflowError表示请求的栈溢出，导致内存耗尽，通常出现在递归方法中
    • 栈帧包括局部变量表、操作栈、动态链接、方法返回地址
      • 局部变量表
        • 是存放方法参数和局部变量的区域
      • 操作栈
        • 是一个初始状态为空的桶式结构栈。
        • 在方法执行过程中，会有各种指令往栈中写入和提取信息
        • JVM的执行引擎是基于栈（操作栈）的执行引擎
      • 动态链接
        • 每个栈帧中包含一个在常量池中对当前方法的引用 ，目的是支持方法调用过程的动态连接。
      • 方法返回地址
        • 正常退出：即正常执行到任何方法的返回字节码指令，如RETURN、IRETURN、ARETURN
        • 异常退出：将返回至方法当前被调用前的位置，方法退出的过程相当于弹出当前栈帧
          • 退出方式
            • 返回值压入上层调用栈帧
            • 异常信息抛给能够处理的栈帧
            • PC计数器指向方法调用后的下一条指令
  • Native Method Stacks （本地方法栈）
    • 本地方法可以通过JNI（Java Native Interface）来访问虚拟机运行时的数据区
    • JNI类本地方法，System.currentTimeMills()
  • Program Counter Register （程序计数寄存器）
• 对象实例化
  • 从字节码角度
    • NEW：类加载成功后，则在堆中分配内存，从Object到本类路径上的所有属性都要进行分配内存。之后进行零值初始化，指令执行完毕后，将指向实例对象的引用变量压入虚拟机栈顶
    • DUP：在栈顶复制该引用变量，这时会出现两个指向堆内实例对象的引用变量，其中压至底下的引用用于赋值，或保存到局部变量表，另一个栈顶的引用变量作为句柄调用相关方法
    • INVOKESPECIAL：调用对象实例方法，通过栈顶的引用变量调用<init>方法。<clinit>是类初始化时执行的方法，<init>是对象初始化时执行的方法
  • 从执行步骤
    • 确定类元信息
    • 分配对象内存
    • 设定默认值
    • 设定对象头
    • 执行init方法
• 垃圾回收
  • 清除不再使用的对象，自动释放内存
  • GC Roots：通过一个对象与GC Roots之间是否存在直接或间接的引用关系，来判断对象是否存活。比如某个失去任何引用的对象，或者两个相互环岛环引用的对象等，判决这些对象“死缓”，是可以被回收的。
    • 哪些对象可以作为GC Roots？
      • 类静态属性中引用的对象
      • 常量引用的对象
      • 虚拟机栈中引用的对象
      • 本地方法栈中引用的对象
  • 垃圾回收器 （Garbage Collector）
    • 是实现垃圾回收算法并应用在JVM环境中的内存管理模块
    • 相关算法
      • 标记-清除算法：从每个GC Roots 出发，一次标记有引用关系的对象，最后将没有被标记的对象清除。缺点---会带来大量得到空间碎片，导致需要分配一个较大连续空间时容易触发FGC。
        • 1.YGC和FGC是什么 YGC ：对新生代堆进行gc。频率比较高，因为大部分对象的存活寿命较短，在新生代里被回收。性能耗费较小。 FGC ：全堆范围的gc。默认堆空间使用到达80%(可调整)的时候会触发fgc。以我们生产环境为例，一般比较少会触发fgc，有时10天或一周左右会有一次。 2.什么时候执行YGC和FGC a.edn空间不足,执行 young gc b.old空间不足，perm空间不足，调用方法System.gc() ，ygc时的悲观策略, dump live的内存信息时(jmap –dump:live)，都会执行full gc
      • 标记-整理算法：从GC Roots 出发标记存活的对象，然后将存活对象整理到内存空间的一段，形成连续的已使用空间，最后把已使用空间之外的部分全部清理掉，这样旧不会产生空间碎片的问题
    • Serial 回收器 ：主要应用于YGC的垃圾回收器，采用串行单线程的方式完成GC任务。
      • “Stop The World”简称 STW，即垃圾回收的某个阶段会暂停整个应用程序的执行。 FGC 的时间相对较长，频繁触发会严重影响应用程序的性能。
    • CMS 回收器：回收停顿时间比较短、目前比较常用的垃圾回收器。通过四个步骤完成垃圾回收工作。
      • CMS 可以通过配置 XX :+UseCMSCompactAtFullCollection 参数，强制 JVM在 FGC 完成后对老年代进行压缩 执行一次空间碎片整理但是空间碎片整理阶段也会引发 STW 。为了减少 TW 次数， CMS 还可以通过配置- XX +CMSFullGCsBeforeCompaction=n 参数，在执行了n 次 FGC 后， JVM 再在老年代执行空间碎片整理。
      • 初始标记（Initial Mark）
      • 并发标记（Concurrent Mark）
      • 重新标记（Remark）
      • 并发清除（Concurrent Sweep）
    • GI 回收器：（JDK7推出，11中默认）和CMS相比，具备压缩功能，能避免碎片问题。将Java 堆空间分割成勒若干相同大小的区域。即region
      • Eden
      • Survivor
      • Old
      • Humongous（特殊的Old类型，专门放置大型对象）