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【JavaSE】之JVM入门（下）

飞熊 • • 技术随笔 • 阅读 100

梦想不抛弃苦心追求的人，只要不停止追求，你们会沐浴在梦想的光辉之中。再美好的梦想与目标，再完美的计划和方案，如果不能尽快在行动中落实，最终只能是纸上谈兵，空想一番。只要瞄准了大方向，坚持不懈地做下去，才能够扫除挡在梦想前面的障碍，实现美好的人生蓝图。【JavaSE】之JVM入门（下），希望对大家有帮助，欢迎收藏，转发！站点地址：www.bmabk.com，来源：原文

【JavaSE】JVM入门

前言

本文为JVM入门基础知识，Java全栈学习路线可参考：【Java全栈学习路线】最全的Java学习路线及知识清单，Java自学方向指引，内含最全Java全栈学习技术清单~
本文上接：【JavaSE】之JVM入门（上）

五、堆

1.堆简介

  • Heap（堆），一个JVM只有一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的
  • 类加载器读取了类文件后，一般会把什么东西放到堆中？类、方法、常量、变量、保存我们所有引用类型的真实对象
  • 堆内存中细分为三个区域：新生区（伊甸园区）Young/New；养老区 old；永久区 Perm
    在这里插入图片描述

2.新生区与养老区

新生区是类诞生，成长，消亡的区域，一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。

新生区又分为两部分：伊甸区（Eden Space）和幸存者区（Survivor Space），所有的类都是在伊甸区被new出来的，幸存区有两个：0区 和 1区，当伊甸园的空间用完时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收（Minor GC）。将伊甸园中的剩余对象移动到幸存0区，若幸存0区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到1区，那如果1区也满了呢？（这里幸存0区和1区是一个互相交替的过程）再移动到养老区，若养老区也满了，那么这个时候将产生MajorGC（Full GC），进行养老区的内存清理，若养老区执行了Full GC后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常 “OutOfMemoryError ”。如果出现 java.lang.OutOfMemoryError：java heap space异常，说明Java虚拟机的堆内存不够，原因如下：

  • 1、Java虚拟机的堆内存设置不够，可以通过参数 -Xms（初始值大小），-Xmx（最大大小）来调整。
  • 2、代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）或者死循环。

3.永久区

  • 永久存储区是一个常驻内存区域，用于存放JDK自身所携带的Class，Interface的元数据，也就是说它存储的是运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭JVM才会释放此区域所占用的内存。
  • 如果出现 java.lang.OutOfMemoryError：PermGen space，说明是Java虚拟机对永久代Perm内存设置不够。一般出现这种情况，都是程序启动需要加载大量的第三方jar包，例如：在一个Tomcat下部署了太多的应用。或者大量动态反射生成的类不断被加载，最终导致Perm区被占满。

4.永久代与元空间

什么是永久代和元空间？

  • 方法区是一种规范，不同的虚拟机厂商可以基于规范做出不同的实现，永久代和元空间就是出于不同jdk版本的实现。
  • 方法区就像是一个接口，永久代与元空间分别是两个不同的实现类。
  • 只不过永久代是这个接口最初的实现类，后来这个接口一直进行变更，直到最后彻底废弃这个实现类，由新实现类—元空间进行替代。

jdk1.8之前：
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jdk1.8以及之后：在堆内存中，逻辑上存在，物理上不存在（元空间使用的是本地内存）
在这里插入图片描述

5.常量池

  • 在jdk1.7之前，运行时常量池+字符串常量池是存放在方法区中，HotSpot VM对方法区的实现称为永久代
    在这里插入图片描述

  • 在jdk1.7中，字符串常量池从方法区移到堆中，运行时常量池保留在方法区中
    在这里插入图片描述

  • jdk1.8之后，HotSpot移除永久代，使用元空间代替；此时字符串常量池保留在堆中，运行时常量池保留在方法区中，只是实现不一样了，JVM内存变成了直接内存
    在这里插入图片描述

6.堆内存调优

  • -Xms：设置初始分配大小，默认为物理内存的 “1/64”。
  • -Xmx：最大分配内存，默认为物理内存的 “1/4”。
  • -XX:+PrintGCDetails：输出详细的GC处理日志。

代码查看内存使用情况：

默认的情况下分配的内存是总内存的 1/4，而初始化的内存为 1/64

public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        // 返回虚拟机试图使用的最大内存
        long max = Runtime.getRuntime().maxMemory();    // 字节：1024*1024
        // 返回jvm的总内存
        long total = Runtime.getRuntime().totalMemory();
        System.out.println("max=" + max + "字节\t" + (max/(double)1024/1024) + "MB");
        System.out.println("total=" + total + "字节\t" + (total/(double)1024/1024) + "MB");
        // 默认情况下:分配的总内存是电脑内存的1/4,初始化的内存是电脑的1/64
    }
}

IDEA中进行VM调优参数设置（设置完成后需要重启IDEA）：
在这里插入图片描述
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VM参数调优：把初始内存，和总内存都调为 1024M，运行，查看结果！

-Xms1024m -Xmx1024m -XX:+PrintGCDetails

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经计算得到：新生区加老年区内存总量等于jvm的总内存，可以证明：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

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六、使用JProfiler工具分析OOM原因

1.Dump内存快照

在运行java程序的时候，有时候想测试运行时占用内存情况，这时候就需要使用测试工具查看了。在eclipse里面有 Eclipse Memory Analyzer tool(MAT)插件可以测试，而在idea中也有这么一个插件，就是JProfiler，一款性能瓶颈分析工具！

作用：

  • 分析Dump文件，快速定位内存泄漏
  • 获得堆中对象的统计数据
  • 获得对象相互引用的关系
  • 采用树形展现对象间相互引用的情况

2.安装JProfiler

IDEA插件安装
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安装JProfiler监控软件
下载地址：https://www.ej-technologies.com/download/jprofiler/version_92
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可以使用以下注册码：

// 注册码仅供参考
L-Larry_Lau@163.com#23874-hrwpdp1sh1wrn#0620
L-Larry_Lau@163.com#36573-fdkscp15axjj6#25257
L-Larry_Lau@163.com#5481-ucjn4a16rvd98#6038
L-Larry_Lau@163.com#99016-hli5ay1ylizjj#27215
L-Larry_Lau@163.com#40775-3wle0g1uin5c1#0674

配置IDEA运行环境
Settings–Tools–JProflier–JProflier executable选择JProfile安装可执行文件。（如果系统只装了一个版本， 启动IDEA时会默认选择）保存。
在这里插入图片描述

3.JProfiler使用测试

  • 编写问题代码进行测试
package com.wang.JVM.Demo02;
import java.util.ArrayList;

public class Demo03 {
    byte[] byteArray = new byte[1*1024*1024]; // 1M = 1024K
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Demo03> list = new ArrayList<>();
        int count = 0;
        try {
            while (true) {
                list.add(new Demo03());  // 问题所在
                count = count + 1;
            }
        } catch (Error e) {
            System.out.println("count:" + count);
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
  • 设置vm参数

-Xms1m -Xmx8m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
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  • 设置完后再运行问题代码发生内存溢出时会自动生成dump文件

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  • 使用 Jprofiler 工具分析查看

双击.hprof文件默认使用 Jprofiler 进行 Open大的对象！
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  • 从软件开发的角度上，dump文件就是当程序产生异常时，用来记录当时的程序状态信息（例如堆栈的状态），用于程序开发定位问题

七、GC垃圾回收

1.垃圾回收的区域

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2.引用计数法

  • 每个对象有一个引用计数器，当对象被引用一次则计数器加1，当对象引用失效一次，则计数器减1，对于计数器为0的对象意味着是垃圾对象，可以被GC回收。
  • 目前虚拟机基本都是采用可达性算法，从GC Roots 作为起点开始搜索，那么整个连通图中的对象边都是活对象，对于GC Roots无法到达的对象变成了垃圾回收对象，随时可被GC回收。
    在这里插入图片描述

3.复制算法

  • 年轻代中使用的是Minor GC，采用的就是复制算法（Copying）
  • Minor GC会把Eden中的所有活的对象都移到Survivor区域中，如果Survivor区中放不下，那么剩下的活的对象就被移动到Old generation中，也就是说，一旦收集后，Eden就是变成空的了
  • 当对象在Eden（包括一个Survivor区域，这里假设是From区域）出生后，在经过一次Minor GC后，如果对象还存活，并且能够被另外一块Survivor区域所容纳（上面已经假设为from区域，这里应为to区域，即to区域有足够的内存空间来存储Eden 和 From区域中存活的对象），则使用复制算法将这些仍然还活着的对象复制到另外一块Survivor区域（即 to 区域）中，然后清理所使用过的Eden以及Survivor区域（即form区域），并且将这些对象的年龄设置为1，以后对象在Survivor区，每熬过一次MinorGC，就将这个对象的年龄 + 1，当这个对象的年龄达到某一个值的时候（默认是15岁，通过- XX:MaxTenuringThreshold设定参数）这些对象就会成为老年代。
  • -XX:MaxTenuringThreshold 任期门槛=>设置对象在新生代中存活的次数
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  • 好处：没有内存的碎片。
  • 坏处：浪费了内存空间（多了一半空间to永远是空）。假设对象100%存活（极端情况），不适合使用复制算法。
  • 使用场景：复制算法最佳使用场景：对象存活度较低的时候（新生区）

如何判断哪个是to区呢？一句话：谁空谁是to
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  • 年轻代中的GC，主要是复制算法（Copying）
  • HotSpot JVM 把年轻代分为了三部分：一个 Eden 区 和 2 个Survivor区（from区 和 to区）。默认比例为8:1:1，一般情况下，新创建的对象都会被分配到Eden区（一些大对象特殊处理），这些对象经过第一次Minor GC后，如果仍然存活，将会被移到Survivor区，对象在Survivor中每熬过一次Minor GC ，年龄就会增加1岁，当它的年龄增加到一定程度时，就会被移动到年老代中，因为年轻代中的对象基本上都是朝生夕死，所以在年轻代的垃圾回收算法使用的是复制算法！复制算法的思想就是将内存分为两块，每次只用其中一块，当这一块内存用完，就将还活着的对象复制到另外一块上面。复制算法不会产生内存碎片！
  • 在GC开始的时候，对象只会在Eden区和名为 “From” 的Survivor区，Survivor区“TO”是空的，紧接着进行GC，Eden区中所有存活的对象都会被复制到 “To”，而在 “From”区中，仍存活的对象会更具他们的年龄值来决定去向。 年龄达到一定值的对象会被移动到老年代中，没有达到阈值的对象会被复制到 “To区域”，经过这次GC后，Eden区和From区已经被清空，这个时候， “From” 和 “To” 会交换他们的角色， 也就是新的 “To”就是GC前的“From” ， 新的 “From” 就是上次GC前的 “To”。 不管怎样，都会保证名为To 的Survicor区域是空的。Minor GC会一直重复这样的过程。直到 To 区 被填满 ，“To” 区被填满之后，会将所有的对象移动到老年代中。
  • 因为Eden区对象一般存活率较低，一般的，使用两块10%的内存作为空闲和活动区域，而另外80%的内存，则是用来给新建对象分配内存的。一旦发生GC，将10%的from活动区间与另外80%中存活的Eden对象转移到10%的to空闲区域，接下来，将之前的90%的内存，全部释放，以此类推；

4.标记清除算法

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  • 回收时，对需要存活的对象进行标记；
  • 回收不需要存活的对象。
  • 当堆中的有效内存空间被耗尽的时候，就会停止整个程序（也被称为stop the world），然后进行两项工作，第一项则是标记，第二项则是清除。
  • 标记：从引用根节点开始标记所有被引用的对象，标记的过程其实就是遍历所有的GC Roots ，然后将所有GC Roots可达的对象，标记为存活的对象。
  • 清除： 遍历整个堆，把未标记的对象清除。
  • 用通俗的话解释一下标记/清除算法，就是当程序运行期间，若可以使用的内存被耗尽的时候，GC线程就会被触发并将程序暂停，随后将依旧存活的对象标记一遍，最终再将堆中所有没被标记的对象全部清除掉，接下来便让程序恢复运行。
  • 缺点：这个算法需要暂停整个应用，会产生内存碎片。两次扫描，严重浪费时间。

5.标记压缩算法

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  • 在整理压缩阶段，不再对标记的对象作回收，而是通过所有存活对象都像一端移动，然后直接清除边界以外的内存。可以看到，标记的存活对象将会被整理，按照内存地址依次排列，而未被标记的内存会被清理掉，如此一来，当我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可，这比维护一个空闲列表显然少了许多开销。
  • 标记、整理算法 不仅可以弥补 标记、清除算法当中，内存区域分散的缺点，也消除了复制算法当中，内存减半的高额代价。

6.标记清除压缩算法

  • 可以进行多次标记清除，再进行一次压缩。

7.GC算法总结

  • 内存效率：复制算法>标记清除算法>标记压缩算法（时间复杂度）
  • 内存整齐度：复制算法=标记压缩算法>标记清除算法
  • 内存利用率：标记压缩算法=标记清除算法>复制算法

没有最好的算法，只有最合适的算法——>GC：分代收集算法

年轻代：

  • 存活率低
  • 适合采用复制算法

老年代：

  • 区域大：存活率高
  • 适合采用标记清除（内存碎片不是太多）+标记压缩混合实现

八、JMM内存模型

1.JMM是什么

  • JMM（Java Memory Model），Java的内存模型。
  • JMM定义了Java 虚拟机(JVM)在计算机内存(RAM)中的工作方式。 JMM可以理解为是一个规范，一个抽象概念，并不真实存在。

2.JMM的作用

  • 缓存一致性的协议，用来定义数据读写的规则。
  • JMM定义了线程工作内存和主内存的抽象关系：线程的共享变量存储在主内存中，每个线程都有一个私有的本地工作内存。
  • 使用volatile关键字来解决共享变量的可见性的问题。
  • Java内存模型是围绕着并发编程中原子性、可见性、有序性这三个特征来建立的。

3.JMM的操作

.在这里插入图片描述
JMM定义了8种操作来完成（每一种操作都是原子的、不可再拆分的）：

  • lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
  • unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它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。
  • read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用。
  • load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
  • use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎（每当虚拟机遇到一个需要使用到该变量的值的字节码指令时将会执行这个操作）。
  • assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量（每当虚拟机遇到一个给该变量赋值的字节码指令时执行这个操作）。
  • store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。
  • write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

4.JMM定义的规则

8种操作必须满足的规则：

  • 不允许read和load、store和write操作之一单独出现。（不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受；或者从工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现）
  • 不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作。（变量在工作内存中改变了值之后，必须把该变化同步回主内存）
  • 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存。
  • 一个新的变量只能在主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量。（就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行过了load和assign操作）
  • 一个变量在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重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
  • 如果对一个变量执行lock操作，那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assign操作初始化变量的值。
  • 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的变量。
  • 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）。

5.并发编程的三大特性

原子性

  • 一个或多个程序指令，要么全部正确执行完毕不能被打断，或者全部不执行

可见性

  • 当一个线程修改了某个共享变量的值，其它线程应当能够立即看到修改后的值

有序性

  • 程序执行代码指令的顺序应当保证按照程序指定的顺序执行，即便是编译优化，也应当保证程序源语一致

后记

Java全栈学习路线可参考：【Java全栈学习路线】最全的Java学习路线及知识清单，Java自学方向指引，内含最全Java全栈学习技术清单~

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