深入理解Java虚拟机学习笔记

Java内存区域与内存溢出异常

  1. 运行时数据区域


(1) 程序计数器
程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,它可以看作是当前线
程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里(仅是概念模型,各种虚拟机可能
会通过一些更高效的方式去实现),字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选
取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需
要依赖这个计数器来完成。
由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的,
在任何一个确定的时刻,一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一条线
程中的指令。因此,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立
的程序计数器,各条线程之间计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私
有”的内存。
如果线程正在执行的是一个Java方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指
令的地址;如果正在执行的是Native方法,这个计数器值则为空(Undefined)。此内存区域
是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

(2) Java虚拟机栈
与程序计数器一样,Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)也是线程私有的,它的
生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法在执行的同时
都会创建一个栈帧 ,用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口
等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出
栈的过程。
经常有人把Java内存区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack),这种分法比较粗
糙,Java内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最
关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中所指的“堆”笔者在后面会专
门讲述,而所指的“栈”就是现在讲的虚拟机栈,或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、
float、long、double)、对象引用(reference类型,它不等同于对象本身,可能是一个指向对
象起始地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置)和
returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。
其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间(Slot),其余的数据
类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,当进入一个方法时,这
个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的,在方法运行期间不会改变局部变
量表的大小。
在Java虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常状况:如果线程请求的栈深度大于虚
拟机所允许的深度,将抛出StackOverflowError异常;如果虚拟机栈可以动态扩展(当前大部
分的Java虚拟机都可动态扩展,只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈),如
果扩展时无法申请到足够的内存,就会抛出OutOfMemoryError异常。

(3) 本地方法栈
本地方法栈(Native Method Stack)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,它们之间
的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则为虚
拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式
与数据结构并没有强制规定,因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机(譬如
Sun HotSpot虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法
栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

(4) Java堆
对于大多数应用来说,Java堆(Java Heap)是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。
Java堆是被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就
是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这一点在Java虚拟机规范中的描
述是:所有的对象实例以及数组都要在堆上分配,但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技
术逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生,所有的对象都
分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称做“GC堆”(Garbage
Collected Heap,幸好国内没翻译成“垃圾堆”)。从内存回收的角度来看,由于现在收集器基
本都采用分代收集算法,所以Java堆中还可以细分为:新生代和老年代;再细致一点的有
Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度来看,线程共享的
Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)。不
过无论如何划分,都与存放内容无关,无论哪个区域,存储的都仍然是对象实例,进一步划
分的目的是为了更好地回收内存,或者更快地分配内存。在本章中,我们仅仅针对内存区域
的作用进行讨论,Java堆中的上述各个区域的分配、回收等细节将是第3章的主题。
根据Java虚拟机规范的规定,Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上
是连续的即可,就像我们的磁盘空间一样。在实现时,既可以实现成固定大小的,也可以是
可扩展的,不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx和-Xms控制)。如
果在堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemoryError异
常。

  • HotSpot JVM把年轻代分为了三部分:1个Eden区和2个Survivor区(分别叫from和to)。默认比例为8:1,为啥默认会是这个比例,接下来我们会聊到。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区中每熬过一次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都是朝生夕死的(80%以上),所以在年轻代的垃圾回收算法使用的是复制算法,复制算法的基本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,对象只会存在于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,仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值(年龄阈值,可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置)的对象会被移动到年老代中,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”就是上次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Survivor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,会将所有对象移动到年老代中。

(5) 方法区
方法区(Method Area)与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚
拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规
范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫做Non-Heap(非堆),目的应
该是与Java堆区分开来。
对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说,很多人都更愿意把方法区
称为“永久代”(Permanent Generation),本质上两者并不等价,仅仅是因为HotSpot虚拟机的
设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区,或者说使用永久代来实现方法区而已,这样
HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存,能够省去专门为方法区编写内
存管理代码的工作。

垃圾收集器与内存分配策略

  1. 对象已死吗

(1)引用计数法

(2)可达性分析算法

在主流的商用程序语言(Java、C#,甚至包括前面提到的古老的Lisp)的主流实现中,
都是称通过可达性分析(Reachability Analysis)来判定对象是否存活的。这个算法的基本思
路就是通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起始点,从这些节点开始向下搜索,搜索所
走过的路径称为引用链(Reference Chain),当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连
(用图论的话来说,就是从GC Roots到这个对象不可达)时,则证明此对象是不可用的。
在Java语言中,可作为GC Roots的对象包括下面几种:
虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象。
方法区中类静态属性引用的对象。
方法区中常量引用的对象。
本地方法栈中JNI(即一般说的Native方法)引用的对象。

(3)生存还是死亡
即使在可达性分析算法中不可达的对象,也并非是“非死不可”的,这时候它们暂时处
于“缓刑”阶段,要真正宣告一个对象死亡,至少要经历两次标记过程:如果对象在进行可达
性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链,那它将会被第一次标记并且进行一次筛选,
筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize()方法,或
者finalize()方法已经被虚拟机调用过,虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。
如果这个对象被判定为有必要执行finalize()方法,那么这个对象将会放置在一个叫做
F-Queue的队列之中,并在稍后由一个由虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行
它。这里所谓的“执行”是指虚拟机会触发这个方法,但并不承诺会等待它运行结束,这样做
的原因是,如果一个对象在finalize()方法中执行缓慢,或者发生了死循环(更极端的情
况),将很可能会导致F-Queue队列中其他对象永久处于等待,甚至导致整个内存回收系统
崩溃。finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会,稍后GC将对F-Queue中的对象
进行第二次小规模的标记,如果对象要在finalize()中成功拯救自己——只要重新与引用链
上的任何一个对象建立关联即可,譬如把自己(this关键字)赋值给某个类变量或者对象的
成员变量,那在第二次标记时它将被移除出“即将回收”的集合;如果对象这时候还没有逃
脱,那基本上它就真的被回收了。

public class FinalizeEscapeGC{
public static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK=null;
public void isAlive(){
System.out.println("yes,i am still alive:)");
}
@Override
protected void finalize()throws Throwable{
super.finalize();
System.out.println("finalize mehtod executed!");
FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK=this
}
public static void main(String[]args)throws Throwable{
SAVE_HOOK=new FinalizeEscapeGC();
//对象第一次成功拯救自己
SAVE_HOOK=null;
System.gc();
//因为finalize方法优先级很低,所以暂停0.5秒以等待它
Thread.sleep(500);
if(SAVE_HOOK!=null){
SAVE_HOOK.isAlive();
}else{
System.out.println("no,i am dead:(");
}
//下面这段代码与上面的完全相同,但是这次自救却失败了
SAVE_HOOK=null;
System.gc();
//因为finalize方法优先级很低,所以暂停0.5秒以等待它
Thread.sleep(500);
if(SAVE_HOOK!=null){
SAVE_HOOK.isAlive();
}else{
System.out.println("no,i am dead:(");
}
}
}

垃圾收集算法

1.标记-清除算法
2.停止-复制算法
3.标记-整理算法
4.分代收集算法

虚拟机类加载机制

  1. 类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载出内存为止,它的整个生命周期包括:加载
(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化
(Initialization)、使用(Using)和卸载(Unloading)7个阶段。其中验证、准备、解析3个
部分统称为连接(Linking)
加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的,类的加载过程
必须按照这种顺序按部就班地开始,而解析阶段则不一定:它在某些情况下可以在初始化阶
段之后再开始,这是为了支持Java语言的运行时绑定(也称为动态绑定或晚期绑定)。注
意,这里笔者写的是按部就班地“开始”,而不是按部就班地“进行”或“完成”,强调这点是因
为这些阶段通常都是互相交叉地混合式进行的,通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活
另外一个阶段。
加载:
(1)通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流
(2)将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
(3)在内存中生成一个代表这个类的Class对象,作为方法去这个类的各种数据的访问入口
验证:
验证是连接阶段的第一步,这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机
的要求,并且不会威海虚拟自身的安全。
准备:
准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段,这些变量所使用的内存都将在方法去中
进行分配。这时候进行内存分配的仅包括类变量(static),而不包括实例变量,实例变量将会在对象
实例化时随着对象一起分配在Java堆中。
解析:
解析阶段是虚拟机将常量池内的符号(Class文件内的符号)引用替换为直接引用(指针)的过程。
初始化:
初始化阶段是类加载过程的最后一步,开始执行类中定义的Java程序代码(字节码)。
初始化阶段时执行构造器《clinit》()方法的过程。
什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段:加载?Java虚拟机规范中并没有进行强
制约束,这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段,虚拟机规范则
是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”(而加载、验证、准备自然需要
在此之前开始):

1)遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时,如果类没有进行过初
始化,则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是:使用new关键字
实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段(被final修饰、已在编译期把结果放入常
量池的静态字段除外)的时候,以及调用一个类的静态方法的时候。

2)使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候,如果类没有进行过初始化,
则需要先触发其初始化。

3)当初始化一个类的时候,如果发现其父类还没有进行过初始化,则需要先触发其父
类的初始化。

4)当虚拟机启动时,用户需要指定一个要执行的主类(包含main()方法的那个
类),虚拟机会先初始化这个主类。

5)当使用JDK 1.7的动态语言支持时,如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后
的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄,并且这个方法句柄
所对应的类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。

对于这5种会触发类进行初始化的场景,虚拟机规范中使用了一个很强烈的限定语:“有
且只有”,这5种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。除此之外,所有引用类的方式都
不会触发初始化,称为被动引用。下面举3个例子来说明何为被动引用。

/**
*被动使用类字段演示一
*通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化
**/
public class SuperClass{
static{
System.out.println("SuperClass init!");
}
public static int value=123;
}
public class SubClass extends SuperClass{
static{
System.out.println("SubClass init!");
}
}
/**
*非主动使用类字段演示
**/
public class NotInitialization{
public static void main(String[]args){
System.out.println(SubClass.value);
}
/**
*被动使用类字段演示二
*通过数组定义来引用类,不会触发此类的初始化
**/
public class NotInitialization{
public static void main(String[]args){
SuperClass[]sca=new SuperClass[10];
}
/**
*被动使用类字段演示三
*常量在编译阶段会存入调用类的常量池中,本质上并没有直接引用到定义常量的类,因此不会触发定义常量的类的初始化.
**/
public class ConstClass{
static{
System.out.println("ConstClass init!");
}
public static final String HELLOWORLD="hello world";
}
/**
*非主动使用类字段演示
**/
public class NotInitialization{
public static void main(String[]args){
System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
}
}

晚期(运行期)优化

1.JIT即时编译
把热点代码编译成本地平台相关的机器码,并进行各种层次的优化,完成这个人物的编译器称为即使编译器。
2.热点判定方式
(1)基于采样的热点探索:
虚拟机会周期性地检查各个线程的栈顶
(2)基于计数器的热点探索
计数器统计方法的执行次数
3.优化技术
方法内联 冗余访问消除 复写传播 无用代码消除 公共子表达式消除 数组边界检查消除 逃逸分析

Java内存模型与线程

1.主内存与工作内存
Java线程->工作内存->save和load操作->主内存
2.内存间的交互操作
lock unlock read load use assign store write
3.原子性,可见性与有序性(指令重排序)

线程安全与锁优化

1.Java语言中的线程安全
(1)不可变
(2)绝对线程安全
(3)相对线程安全
(4)线程兼容
(5)线程对立
2.互斥同步(悲观),非阻塞同步(先进行操作,如果没有其他进程争用共享数据,那操作成功,否则采取措施)
3.ReentrantLock增加了一些高级功能,主要有以下三项:
(1)等待可中断
(2)公平锁
(3)锁可以绑定多个条件

锁优化

(1)自旋锁与自适应自旋
(2)锁消除
(3)锁粗化
(4)轻量级锁
(5)偏向锁

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