JVM-Java虚拟机

基础知识

JVM的定义与作用

• 定义：JVM是Java语言的一部分，它是一个虚拟的计算机，通过它可以执行Java程序。

• 作用：

  • 跨平台支持：实现了“编译一次，到处运行”的目标。

  • 自动内存管理：通过垃圾回收机制（GC）自动管理内存分配和回收。

  • 性能优化：提供即时编译（JIT）技术，将字节码翻译为机器码，提升程序运行效率。

JVM的内存结构

• 堆（Heap）：用于存储所有的对象实例，由GC管理。堆内存分为新生代和老年代，新生代用于存放新创建的对象，老年代存放经过多次GC后仍然存活的对象。

• 方法区（Method Area）：存储类的元数据、静态变量、常量池等。运行时常量池是方法区的一部分，用于存储编译期生成的各种字面量和符号引用。

• 虚拟机栈（VM Stack）：每个线程都有自己的虚拟机栈，用于存储栈帧。栈帧用于存储局部变量、操作数栈、动态链接信息以及方法返回地址等。

• 本地方法栈（Native Method Stack）：用于执行Java程序中的本地方法（如C/C++编写的代码）。

• 程序计数器（PC Register）：记录当前线程执行的字节码指令地址。

JVM的垃圾回收机制

• 垃圾判定：通过可达性分析算法来判断对象是否可以被回收。如果一个对象无法通过任何引用链与GC Roots相连，则该对象被认为是可回收的。

• 垃圾回收算法：

  • 标记-清除算法：先标记所有需要回收的对象，然后清除这些对象所占用的内存空间。

  • 复制算法：将内存分为两块，每次只使用其中一块，当一块内存用完时，将存活的对象复制到另一块内存中，然后清除已使用的内存块。

  • 标记-整理算法：先标记需要回收的对象，然后将存活的对象向一端移动，最后清除掉边界以外的内存。

• 垃圾回收器：常见的垃圾回收器有串行垃圾收集器、并行垃圾收集器、CMS（并发）垃圾收集器、G1垃圾收集器等。

JVM的类加载过程

• 加载：将类的字节码文件加载到内存中，并生成一个对应的Class对象。

• 验证：确保加载的类信息符合Java语言规范，没有安全问题。

• 准备：为类的静态变量分配内存，并设置默认初始值。

• 解析：将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。

• 初始化：执行类构造器<clinit>()方法，对类的静态变量进行初始化操作。

• 使用：程序运行期间对类的使用。

• 卸载：当类不再被使用时，JVM会卸载该类，释放所占用的内存资源。

JVM的双亲委派机制

• 定义：当一个类加载器加载类时，它会先将类的加载请求委派给父类加载器，只有当父类加载器无法加载该类时，才会尝试自己加载。

• 作用：保证类的唯一性，避免出现多个相同名称的类被加载到JVM中，从而保证了Java程序的稳定性和安全性。

双亲委派机制的核心思想是：当一个类加载器尝试加载一个类时，它首先会将请求委派给父类加载器，只有当父类加载器无法加载该类时，才会尝试自己加载。这个过程会一直向上委派，直到最顶层的类加载器（启动类加载器）。

具体步骤如下：

1. 加载请求：当一个类加载器收到类加载请求时，它不会直接尝试加载该类。

2. 委派给父类加载器：它会先将请求委派给父类加载器，让父类加载器尝试加载该类。

3. 父类加载器加载：如果父类加载器能够加载该类，则加载完成，返回加载的类。

4. 子类加载器加载：如果父类加载器无法加载该类（即父类加载器的加载路径中没有该类），则子类加载器才会尝试自己加载该类。

Java中的类加载器分为以下几种：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：

  • 负责加载Java核心类库（如java.lang.*、java.util.*等）。

  • 由JVM实现，通常无法直接访问。

• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：

  • 负责加载Java扩展类库（通常位于$JAVA_HOME/lib/ext目录下）。

  • 是启动类加载器的子类加载器。

• 应用类加载器（Application ClassLoader）：

  • 负责加载用户类路径（classpath）上的类。

  • 是扩展类加载器的子类加载器。

• 自定义类加载器：

  • 用户可以自定义类加载器，继承自java.lang.ClassLoader。

  • 自定义类加载器可以加载指定路径下的类文件。

优点

• 避免重复加载：通过双亲委派机制，确保一个类在JVM中只会被加载一次，避免了类的重复加载。

• 保护核心类库：防止用户自定义的类覆盖Java核心类库中的类，确保了Java核心类库的安全性。

• 简化类加载器的实现：子类加载器可以依赖父类加载器来加载核心类库，减少了重复工作。

JVM的调优

• 内存分配调优：可以通过设置参数来调整堆内存的大小，例如-Xms设置堆的初始内存，-Xmx设置堆的最大内存。

• 垃圾回收器调优：根据不同的应用场景选择合适的垃圾回收器，例如-XX:+UseG1GC启用G1垃圾收集器。

• 监控与分析工具：JVM提供了多种工具进行性能监控与调试，如JConsole、VisualVM、jstat等。

JVM调优的主要目标

• 提高吞吐量：在单位时间内处理更多的请求。

• 降低延迟：减少响应时间，确保应用程序快速响应用户请求。

• 减少垃圾回收（GC）停顿：避免长时间的停顿，提高用户体验。

• 合理使用内存：避免内存溢出（OutOfMemoryError）和内存泄漏问题。

2. JVM调优的关键参数

2.1 堆内存大小

• 参数：

  • -Xms：初始堆大小（建议设置为与最大堆大小相同，避免频繁扩展堆）。

  • -Xmx：最大堆大小（根据服务器可用内存设置，通常为物理内存的1/2到1/4）。

• 示例：

  bash复制

  -Xms1024m -Xmx1024m

• 说明：合理的堆大小可以减少GC频率和停顿时间。

2.2 堆外内存（Direct Memory）

• 参数：

  • -XX:MaxDirectMemorySize：最大堆外内存大小（默认与-Xmx相同）。

• 示例：

  bash复制

  -XX:MaxDirectMemorySize=512m

• 说明：堆外内存用于NIO等操作，避免占用过多堆内存。

2.3 线程堆栈大小

• 参数：

  • -Xss：每个线程的堆栈大小（默认为1MB，可根据需要调整）。

• 示例：

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  -Xss512k

• 说明：减少堆栈大小可以增加可用线程数量，但过小可能导致栈溢出。

2.4 垃圾回收器选择

• 参数：

  • -XX:+UseG1GC：使用G1垃圾回收器（适用于大堆内存，低延迟场景）。

  • -XX:+UseParallelGC：使用并行垃圾回收器（适用于多核服务器）。

  • -XX:+UseConcMarkSweepGC：使用并发标记-清除垃圾回收器（适用于老年代）。

• 示例：

  bash复制

  -XX:+UseG1GC

• 说明：选择合适的垃圾回收器可以显著减少GC停顿时间。

2.5 GC日志

• 参数：

  • -XX:+PrintGCDetails：打印GC详细信息。

  • -XX:+PrintGCTimeStamps：打印GC时间戳。

  • -Xloggc:gc.log：将GC日志输出到指定文件。

• 示例：

  bash复制

  -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -Xloggc:gc.log

• 说明：通过GC日志分析GC行为，优化内存使用和垃圾回收策略。

2.6 新生代与老年代比例

• 参数：

  • -XX:NewRatio：新生代与老年代的比例（默认为2，即老年代是新生代的两倍）。

• 示例：

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  -XX:NewRatio=3

• 说明：调整新生代与老年代的比例，减少GC频率。

2.7 Eden区与Survivor区比例

• 参数：

  • -XX:SurvivorRatio：Eden区与Survivor区的比例（默认为8，即每个Survivor区是Eden区的1/8）。

• 示例：

  bash复制

  -XX:SurvivorRatio=6

• 说明：调整Survivor区大小，减少对象晋升到老年代的频率。

2.8 垃圾回收暂停时间目标

• 参数：

  • -XX:MaxGCPauseMillis：最大GC暂停时间目标（以毫秒为单位）。

• 示例：

  bash复制

  -XX:MaxGCPauseMillis=100

• 说明：G1垃圾回收器会尝试满足此目标，减少GC停顿时间。

2.9 自适应调整

• 参数：

  • -XX:+AggressiveOpts：启用激进优化。

  • -XX:+AggressiveHeap：启用激进堆优化。

• 示例：

  bash复制

  -XX:+AggressiveOpts -XX:+AggressiveHeap

• 说明：让JVM根据系统资源自动优化性能。

3. JVM监控与分析工具

3.1 jconsole

• 功能：JVM自带的监控工具，可以查看堆内存、线程、GC等信息。

• 使用方法：

  bash复制

  jconsole

3.2 jstat

• 功能：命令行工具，用于监控GC和内存使用情况。

• 使用方法：

  bash复制

  jstat -gc <pid> 1000

3.3 VisualVM

• 功能：图形化监控工具，支持内存分析、线程分析、性能分析等。

• 使用方法：

  bash复制

  jvisualvm

3.4 GCViewer

• 功能：分析GC日志，提供详细的GC行为分析。

• 使用方法：

  • 将GC日志文件拖入GCViewer工具中进行分析。

3.5 Flight Recorder

• 功能：JVM自带的低开销监控工具，可以记录JVM运行时的详细信息。

• 使用方法：

  bash复制

  -XX:+UnlockCommercialFeatures -XX:+FlightRecorder

4. 调优步骤

1. 基准测试：在调优前，对应用程序进行基准测试，记录当前性能指标。

2. 监控分析：使用监控工具（如jconsole、VisualVM等）分析内存使用、GC行为等。

3. 调整参数：根据分析结果调整JVM参数，如堆大小、垃圾回收器等。

4. 重复测试：调整后重新进行基准测试，对比性能变化。

5. 持续优化：根据测试结果持续调整，直到达到满意的性能指标。

5. 常见问题及解决方法

5.1 堆内存溢出（OutOfMemoryError）

• 原因：堆内存不足，可能是内存泄漏或堆大小设置不合理。

• 解决方法：

  • 使用jmap工具分析堆内存：

    bash复制

    jmap -dump:format=b,file=heapdump.hprof <pid>

  • 使用MAT（Memory Analyzer Tool）分析堆转储文件，查找内存泄漏。

  • 增加堆内存大小，调整-Xms和-Xmx参数。

5.2 GC停顿时间过长

• 原因：垃圾回收器选择不当或堆内存设置不合理。

• 解决方法：

  • 使用G1垃圾回收器：

    bash复制

    -XX:+UseG1GC

  • 调整堆大小和新生代比例，减少GC频率。

5.3 线程过多导致性能下降

• 原因：线程堆栈过大或线程池配置不合理。

• 解决方法：

  • 减少线程堆栈大小（-Xss）。

  • 优化线程池配置，限制最大线程数。

HotSpot为什么要分为新生代和老年代

HotSpot JVM将堆内存划分为新生代和老年代，主要是基于对象生命周期的特点以及垃圾回收的效率和性能优化，具体原因如下：

1. 基于对象生命周期的优化

• 新生代：新生代主要用于存放新创建的对象。根据“弱分代假设”（Weak Generational Hypothesis），大部分对象在创建后很快就会被回收，因此新生代的垃圾回收（Minor GC）频率较高。

  • Eden区：新对象首先在Eden区分配。当Eden区满时，触发Minor GC，将存活对象复制到Survivor区。

  • Survivor区：分为From和To两个区域，用于在Minor GC时复制存活对象。每次GC后，存活对象从一个Survivor区复制到另一个，或者晋升到老年代。

• 老年代：存放经过多次新生代GC后仍然存活的对象。这些对象的生命周期较长，因此老年代的垃圾回收（Major GC或Full GC）频率较低，但回收时间较长。

2. 垃圾回收算法的选择

• 新生代：采用复制算法，因为新生代中大部分对象都是临时的，复制算法可以高效地清理大量死亡对象。

• 老年代：采用标记-清除-压缩算法（Mark-Sweep-Compact），因为老年代的对象生命周期长，空间利用率低，需要通过压缩来整理内存。

3. 性能优化

• 新生代：由于对象生命周期短，Minor GC可以快速完成，减少停顿时间，提高应用性能。

• 老年代：虽然回收频率低，但每次回收时间较长。通过减少老年代的回收频率，避免频繁的长时间停顿。

4. 内存分配策略

• 新生代：通过调整新生代和老年代的比例（默认新生代占堆内存的1/3，老年代占2/3），可以更好地满足不同类型应用的内存需求。

• 大对象直接分配到老年代：可以通过配置参数（如-XX:PretenureSizeThreshold）将大对象直接分配到老年代，避免频繁的Minor GC。

5. 线程局部分配缓冲区（TLAB）

• HotSpot JVM在新生代中使用TLAB技术，为每个线程分配独立的内存缓冲区，减少线程间的内存分配竞争，提高多线程应用的性能。

强引用、软引用、弱引用、虚引用

1. 强引用（Strong Reference）

强引用是最常见的引用类型。如果一个对象被强引用所指向，那么垃圾回收器（GC）不会回收这个对象，即使当前内存空间不足。

特点：

• 只要强引用存在，对象就不会被垃圾回收。

• 如果对象仅被强引用指向，即使它不再被使用，也不会被回收。

2. 软引用（Soft Reference）

软引用是一种相对强引用弱一些的引用类型。被软引用指向的对象，在内存不足时可能会被垃圾回收器回收，但在内存足够时，这些对象通常不会被回收。

特点：

• 软引用对象在内存不足时可能会被回收。

• 软引用通常用于实现缓存机制，当内存不足时，可以释放这些对象来避免内存溢出。

3. 弱引用（Weak Reference）

弱引用比软引用更弱。被弱引用指向的对象，只要垃圾回收器运行，就会被回收，无论内存是否充足。

特点：

• 弱引用对象在垃圾回收器运行时会被回收。

• 弱引用通常用于实现监听器、缓存等场景，这些对象在不需要时可以被自动回收。

4. 虚引用（Phantom Reference）

虚引用是最弱的一种引用类型。虚引用指向的对象在垃圾回收器运行时会被回收，但虚引用不会保存对象的引用，因此无法通过虚引用来访问对象。虚引用主要用于在对象被回收时执行某些操作，例如清理资源。

判断对象死亡

1. 引用计数法

引用计数法是一种简单直观的判断对象是否死亡的方法，其基本原理是为每个对象维护一个引用计数器：

• 原理：每当有一个引用指向该对象时，计数器加1；当引用失效（如引用被赋值为null，或者引用的生命周期结束）时，计数器减1。当计数器值为0时，说明该对象没有任何引用指向它，可以被判定为“死亡”。

• 优点：实现简单，判断速度快。

• 缺点：无法解决对象之间相互循环引用的问题。例如，两个对象A和B相互引用，但没有其他外部引用指向它们，此时它们的引用计数器都不会为0，但实际上它们已经无法被访问，应该被回收，但引用计数法无法识别这种情况。

2. 可达性分析算法

可达性分析算法是目前主流的垃圾回收算法，它通过根节点集合（Root Set）来判断对象是否存活：

• 原理：从一组称为“根节点集合”的对象开始，这些根节点通常包括：

  • 栈中的引用变量：当前线程栈中的局部变量。

  • 类加载器的静态变量：类的静态变量。

  • 本地方法栈中的引用：本地方法（如JNI）中使用的对象引用。

  • JVM内部的引用：如常量池、字符串常量池等。

  从这些根节点出发，通过引用关系向下搜索，所有能被根节点直接或间接引用到的对象都被认为是“存活”的。无法被根节点集合引用到的对象则被认为是“死亡”的。

• 优点：能够解决循环引用的问题，更准确地判断对象的存活状态。

• 缺点：实现相对复杂，需要遍历整个对象图，对性能有一定影响。

总结

• 引用计数法：简单但存在循环引用问题，不适合复杂的对象关系。

• 可达性分析算法：目前主流方法，能够准确判断对象的存活状态，但实现复杂，对性能有一定要求。

垃圾收集算法

1. 标记-清除算法（Mark-Sweep）

• 工作原理：分为“标记”和“清除”两个阶段。首先遍历所有对象，标记出存活的对象，然后清除未被标记的对象，释放其占用的内存空间。

• 优点：实现简单，不需要移动对象。

• 缺点：

  • 标记和清除过程效率不高，需要遍历整个堆。

  • 清除后会产生大量不连续的内存碎片，可能导致后续需要分配大对象时无法找到足够的连续空间，从而触发另一次垃圾回收。

2. 复制算法（Copying）

• 工作原理：将内存空间划分为两个大小相等的区域，每次只使用其中一个区域。当该区域内存用完时，将存活的对象复制到另一个区域，然后清空当前区域的所有对象。

• 优点：

  • 解决了内存碎片问题，因为每次都是对整个半区进行内存回收。

  • 分配内存时只需按顺序分配，实现简单且高效。

• 缺点：

  • 内存利用率低，只有原来的一半空间可用。

  • 如果对象存活率高，复制操作会耗费较多时间。

3. 标记-整理算法（Mark-Compact）

• 工作原理：标记过程与标记-清除算法相同，但后续步骤不是直接清除对象，而是让所有存活的对象都向内存的一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

• 优点：解决了内存碎片问题，提高了内存利用率。

• 缺点：

  • 标记和整理过程都需要遍历对象，效率相对较低。

  • 需要额外的空间来保存迁移地址等信息。

4. 分代收集算法（Generational Collection）

• 工作原理：根据对象的存活周期将内存划分为不同的代（如新生代、老年代）。新生代对象存活时间短，采用复制算法进行回收；老年代对象存活时间长，采用标记-清除或标记-整理算法进行回收。

• 优点：

  • 充分利用了对象的生命周期分布特点，提高了垃圾回收的效率。

  • 减少了不必要的内存清理工作。

• 缺点：需要根据具体的应用场景和对象分布特点进行调优。

5. 引用计数算法（Reference Counting）

• 工作原理：每个对象维护一个引用计数，表示有多少引用指向该对象。当引用计数为0时，表示该对象不再被使用，可以回收其内存空间。

• 优点：实现简单，回收速度快。

• 缺点：

  • 无法处理循环引用问题。

  • 每次引用增加或减少时都需要更新引用计数，增加了额外的开销。

6. 自适应混合回收算法（Adaptive Hybrid）

• 工作原理：结合了多种垃圾回收算法的优点，根据应用程序的特点和运行时数据动态调整回收策略。

• 优点：能够根据具体情况选择最合适的回收算法，提高垃圾回收的效率和准确性。

• 缺点：实现复杂，需要收集和分析大量的运行时数据。

常见垃圾回收器

1. Serial（串行垃圾回收器）

• 特点：

  • 单线程执行垃圾回收。

  • 适合单核处理器的机器或小内存环境。

  • 在垃圾回收过程中，会暂停所有用户线程（Stop-The-World，STW）。

• 适用场景：

  • 客户端模式下的小型应用。

  • 对于单线程应用，可以避免线程切换的开销。

• 参数：

  • -XX:+UseSerialGC：启用Serial垃圾回收器。

2. Parallel（并行垃圾回收器）

• 特点：

  • 多线程执行垃圾回收。

  • 适合多核处理器的机器。

  • 仍然会暂停所有用户线程（STW），但通过多线程减少停顿时间。

• 适用场景：

  • 适合多核服务器，尤其是对吞吐量要求较高的场景。

• 参数：

  • -XX:+UseParallelGC：启用Parallel垃圾回收器。

  • -XX:ParallelGCThreads=<N>：设置垃圾回收线程数。

3. Parallel Old（并行老年代垃圾回收器）

• 特点：

  • 是Parallel垃圾回收器的老年代版本。

  • 使用多线程进行老年代的垃圾回收。

• 适用场景：

  • 与Parallel垃圾回收器配合使用，用于老年代的垃圾回收。

• 参数：

  • -XX:+UseParallelOldGC：启用Parallel Old垃圾回收器。

4. CMS（Concurrent Mark-Sweep）

• 特点：

  • 并发标记-清除算法。

  • 尽量减少停顿时间，适合对响应时间要求较高的应用。

  • 但可能会产生内存碎片，且在并发阶段会占用一定的CPU资源。

• 适用场景：

  • 对响应时间敏感的应用，如Web服务器。

• 参数：

  • -XX:+UseConcMarkSweepGC：启用CMS垃圾回收器。

  • -XX:ParallelGCThreads=<N>：设置垃圾回收线程数。

  • -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=<N>：设置触发CMS回收的堆内存占用比例。

5. G1（Garbage-First）

• 特点：

  • 分代收集与区域划分相结合。

  • 采用并发标记和分阶段垃圾回收，减少停顿时间。

  • 适合大堆内存（如多GB）的应用。

• 适用场景：

  • 适合对停顿时间和吞吐量都有较高要求的场景。

• 参数：

  • -XX:+UseG1GC：启用G1垃圾回收器。

  • -XX:G1HeapRegionSize=<N>：设置G1的区域大小。

  • -XX:MaxGCPauseMillis=<N>：设置最大垃圾回收停顿时间。

6. ZGC（Z Garbage Collector）

• 特点：

  • 低延迟垃圾回收器，目标是将停顿时间控制在10ms以内。

  • 使用并发标记和并发回收，几乎不会暂停用户线程。

  • 适合超大堆内存（如TB级）的应用。

• 适用场景：

  • 对延迟要求极高的应用，如高频交易系统。

• 参数：

  • -XX:+UseZGC：启用ZGC垃圾回收器。

  • -XX:ZCollectionInterval=<N>：设置垃圾回收的间隔时间。

7. Shenandoah

• 特点：

  • 低延迟垃圾回收器，目标是减少停顿时间。

  • 使用并发标记和并发回收，减少对用户线程的影响。

  • 与ZGC类似，但实现方式不同。

• 适用场景：

  • 对延迟敏感的应用，尤其是需要处理大堆内存的场景。

• 参数：

  • -XX:+UseShenandoahGC：启用Shenandoah垃圾回收器。

  • -XX:ShenandoahGCHeuristics=<strategy>：设置垃圾回收策略。

8. Epsilon（无操作垃圾回收器）

• 特点：

  • 一个“无操作”的垃圾回收器，实际上不进行垃圾回收。

  • 主要用于测试和基准测试，帮助开发者了解没有垃圾回收时的性能表现。

• 适用场景：

  • 用于测试和基准测试，不适合生产环境。

• 参数：

  • -XX:+UseEpsilonGC：启用Epsilon垃圾回收器。

Minor GC 和 Full GC

Minor GC 和 Full GC 是垃圾回收机制中的两种主要类型，它们在回收范围、触发条件和性能影响等方面存在显著差异：

1. 回收范围

• Minor GC：

  • 回收区域：仅针对年轻代（Young Generation），包括 Eden 区和 Survivor 区。

  • 特点：由于大多数对象生命周期较短，Minor GC 的回收效率较高，通常速度较快。

• Full GC：

  • 回收区域：清理整个堆空间，包括年轻代和老年代，还可能涉及方法区（元空间）。

  • 特点：Full GC 的范围更广，因此回收时间通常比 Minor GC 更长。

2. 触发条件

• Minor GC：

  • 触发条件：当 Eden 区空间不足，无法为新对象分配内存时，会触发 Minor GC。

• Full GC：

  • 触发条件：

    • 老年代空间不足。

    • 方法区（元空间）空间不足。

    • 显式调用 System.gc()（不推荐，因为 JVM 不一定会执行 Full GC）。

    • 分配担保失败，即 Minor GC 后存活对象无法放入 Survivor 区。

3. 性能影响

• Minor GC：

  • 停顿时间：通常较短，对应用程序性能的影响较小。

  • 频率：由于对象生命周期短，触发频率较高。

• Full GC：

  • 停顿时间：通常较长，会导致明显的停顿（Stop-The-World），对应用程序性能影响较大。

  • 频率：触发频率较低，但每次执行的开销较大。

4. 垃圾回收算法

• Minor GC：

  • 算法：通常使用复制算法（Copying），将存活对象从 Eden 区复制到 Survivor 区，避免内存碎片化。

• Full GC：

  • 算法：通常使用标记-清除（Mark-Sweep）或标记-整理（Mark-Compact）算法。