JVM相关知识点

引言

本文主要介绍JVM相关内容，带着问题去逐步掌握JVM相关原理和机制，帮助我们更好的理解java程序是如何在虚拟机中运行的。

一、JVM介绍

1.1 java虚拟机的结构是如何设计的

JVM即java虚拟机，是套标准。能运行字节码指令，jvm的好处是可以屏蔽操作系统细节，达到一次编写，到处运行的目的。如下图所示例：

实现JVM的厂商很多，如HotSpot、JRockit、IBMJ9等。主流是HotSpot，JDK和OpenJDK都是基于HotSpot。

HotSpot JVM架构组成 ：类装载器子系统、运行时数据区、执行引擎

运行机制：

首先由类装载器子系统把编译好的.class字节码文件装载到类加载子系统，主要过程查找并验证，完成内存分配和对象赋值。
类装载到内存后，由运行时数据区完成数据的存储和交换。

JVM的内存区域和对应的调优参数总结成下图所示，便于大家记录调优涉及到的参数（我个人认为所谓的JVM调优其实有点水，只是调整一些配置，设置参数，不能称之为调优，咱也没那个能力调优不是吗哈哈）。

3.执行引擎主要包含编辑器 （JIT Compiler）和垃圾回收器 （Garbage Collector）

即时编译器主要用于将字节码翻译成操作系统能够执行的CPU指令，可以通过JVM参数来设置是解释执行还是编译执行。
解释执行 ，就是把字节码作为源程序输入解释执行，不必等待编译器全部编译后才执行，可以节省不必要的编译时间。
编译执行 ，由编译程序先把目标代码一次性编译成目标程序，再由机器运行，执行效率更高，占用内存资源更少。

在HotSpot中，默认是以上两种方式的组合。

垃圾回收器主要是回收运行时方法区产生的垃圾数据，就是各种垃圾回收算法的实现，大概分为三种，复制算法、标记清除算法、标记整理算法，我们可以通过JVM来设置选择哪种算法。

这里放一张整体的交互图，通过这个图我们对JVM有一个更清晰的认知：

1.2 什么是双亲委派机制

以下是Java的类加载机制：

Java编译器把Java源文件编译成.class文件，再由JVM把.class文件加载到内存中，加载成功后得到一个Class字节码对象。拿到字节码对象之后就可以进行实例化了。

重点来了，类的加载过程需要用到加载器，JVM提供了3种类装载器，分别是Bootstrap类加载器、Extension类加载器和Application类加载器。

Bootstrap类加载器，主要负责java核心类库的加载，也就是%{JAVA_HOME}\lib下的rt.jar，resources.jar等。
Extension类加载器，%{JAVA_HOME}\lib\ext目录下的jar包和class文件。
Application类加载器，主要负责当前应用中的classpath下的所有jar包和类文件。

除了以上JVM提供的类加载器，我们还可以通过继承ClassLoader的方式，重写findClass()方法来自定义类加载器，来满足一些特殊场景的需求，比如从远程网络加载.class文件。

下面的图展示了各种类加载器之间的关系：

双亲委派机制或者父级委托模型，就是按照类加载器的层级关系逐层进行委派，如下图所示。

这种上级委托加载机制设计有两个好处：

保证安全性，这种层级关系代表的是一种优先级，所有类加载优先使用Bootstrap。对于核心类库就无法破坏，比如自己写一个java.lang.String，最后会交给Bootstrap加载器，每个类加载器都有自己的作用范围，自己写的类无法覆盖核心类库中的类。
避免重复加载。避免类已经被父类加载器加载了，重复加载导致混乱问题，也是一种向上检查的过程。

二、内存管理

2.1 JVM如何判断对象可以回收

JVM中判断一个对象是否可以被回收，首先应该判断这个对象是否还在被使用，只有没被使用的对象才能被回收。

引用计数器，就是为每一个对象添加计数器，用来统计指向当前对象的引用次数，每引用一次该对象，就把这个计数器加一，反之减少，当变为0时说明可以回收了。缺点也很明显，需要额外的存储空间来存储引用计数器。但是实现简单，效率高。

主流的JVM没有采用这个方法，因为引用计数器在处理一些的循环引用或者相互依赖的情况时，可能会出现一些不再使用但是又无法回收的内存，造成内存泄漏的问题，如下图所示：

主流JVM使用一个叫可达性分析的算法来判断对象是否应该被回收。

先来说下这个可达性分析的概念：

可达性分析 （Reachability Analysis）是垃圾回收（Garbage Collection, GC）机制中用来确定哪些对象是活跃的、哪些对象可以被回收的一种算法。它的基本原理是从一组被称为"GC Roots"的根对象开始，沿着对象之间的引用链进行深度优先或者广度优先的搜索，来判断哪些对象是可达的。
GC Root：指的是垃圾回收机制可以访问到的一系列对象起点 。这些根对象是垃圾回收器在进行可达性分析算法时的起始点。如果一个对象可以从GC root直接或间接地访问到，那么这个对象就被认为是可达的，不会被垃圾回收器回收。以下是一些常见的GC root类型：
- 栈中的本地变量：方法参数、局部变量等。
- 静态字段引用：类中的静态成员变量。
- 常量池中的引用：如字符串常量池中的引用。
- 线程工作内存中的引用：每个活动线程的引用。
- JNI（Java Native Interface）全局引用：本地代码通过JNI持有的一些Java对象引用。

GC Root 对象比如虚拟机栈中的引用，本地方法栈的引用，这些都是不能回收的，沿着这些对象的引用链往下搜索，寻找它的直接和间接引用对象。遍历完后如果发现某些对象不可达，那就认为这些对象已经没有用了，需要被回收。垃圾回收时会先找到所有的GC Root，这个过程会暂停所有用户线程，也就是stop the world，再从根节点向下寻找，可达对象保留，不可达的就回收。

2.2 如何理解JVM中的GC算法

GC就是Garbage Collector，垃圾回收算法主要有三种：

标记清除算法 ：将存活的对象打上标记，没有被标记的对象就是需要被回收的垃圾对象。
缺点：会产生比较多的内存碎片，随着时间推移，这些内存碎片存在，系统无法再大量分配连续的内存空间。这会触发频繁的GC操作。
标记复制算法 ：把内存分为两等份，每次使用其中一份，等到正在使用的这部分内存满了之后，就会标记出存活对象，然后把存活对象复制到另一部分闲置的内存中，留在第一部分内存中的对象会全部被垃圾回收器回收。
缺点：导致实际使用的内存只有50%，浪费空间。对象量大的话，复制会很耗时。这种算法适合处理存活对象少，垃圾对象比较多的场景。
标记整理算法 ：先标记出存活的对象，再把所有存活的对象整理到内存空间的另一端，而没有被标记的对象就可以被覆盖或者释放。
缺点：本质和标记清除算法差不多，缺点也类似，还多了一个移动的操作。

java对象基本都是临时对象，用完就回收，根据对象在内存中的中的存活时间，分为年轻代、老年代、永久代。

年轻代采用标记复制算法，每次复制后存活下来的对象少。

老年代是经历过几次垃圾回收的对象，JVM认为可能继续存活下来，采用的是标记清除算法。

永久代表示会一直存活的对象，只有在触发Full GC的情况下才会回收，永久代如果创建对象过多会造成内存溢出，永久代采用的也是标记清除算法。不过重要的是JDK8移除了永久代的概念，取而代之的是元空间，也就是方法区

2.3 JVM年龄分代为什么是15次

JVM的年龄分代策略是用于决定对象何时从年轻代（Young Generation）晋升到老年代（Old Generation）的一种机制。

对象在年轻代中经历多次垃圾回收（Garbage Collection，GC）后，如果仍然存活，其年龄值会逐渐增加。这个年龄值是由对象头部的Mark Word中的部分位来表示的。

在Java 8及之前版本中，对象年龄的表示使用了Mark Word中的4个比特位，这意味着年龄的最大值是2^4 - 1 = 15。这是因为4比特可以表示从0到15共16种状态，但通常0表示新创建的对象，因此15是对象年龄可以达到的最大值。

默认情况下，GC年龄达到15岁后，对象就会从年轻代转移到老年代。

选择15次作为年龄上限的原因主要是基于统计和经验。JVM的设计者发现，大多数对象在创建后很快就会被垃圾回收，只有少数对象会存活足够长的时间以至需要移动到老年代。15次是一个足够大的数字，可以确保那些确实需要长期存在的对象能够被识别并移到老年代，同时又不会浪费过多的位数来表示年龄，因为Mark Word的空间是有限的，需要存储其他重要的信息，如锁标志、线程ID 等。

如果需要改变这个默认值，可以通过JVM参数进行调整，但是由于Mark Word的位数限制，年龄的最大值不能超过15。在某些JVM实现中，可以通过参数如-XX:MaxTenuringThreshold来调整这个阈值，但实际可设置的范围可能受限于Mark Word中年龄字段的位数。

2.4 JVM为什么使用元空间代替永久代

JVM使用元空间（Metaspace）代替永久代（Permanent Generation）的主要原因是为了解决永久代的一些固有问题，尤其是与内存管理和性能相关的问题。以下是几个关键因素：

内存溢出问题：在JDK 1.8之前，永久代的大小是固定的或者可以通过JVM参数调整，但它仍然属于堆内存的一部分。这意味着如果永久代的大小设置不当，很容易出现OutOfMemoryError: PermGen space错误。元空间将类元数据存储在本地内存中，而不是堆内存中，这避免了由于永久代满而导致的频繁垃圾收集。
更灵活的内存管理：元空间的大小不再受到堆大小的限制，而是受限于系统的可用物理内存和最大映射文件大小。这使得元空间的管理更加灵活，可以随着类的加载和卸载自动扩展和收缩，减少了手动调整JVM参数的需求。
减少GC压力：将类元数据移出堆意味着减少了堆内存的负载，从而减少了垃圾回收的压力。在永久代中，类元数据的垃圾回收（也称为类卸载）是一个复杂的过程，而在元空间中，类元数据的管理与堆上对象的管理分离，使得垃圾回收更加高效。
简化JVM配置：使用元空间之后，开发人员和系统管理员不需要再关注永久代的大小设置，因为元空间的大小会根据需要自动调整。这简化了JVM的配置过程，减少了因配置不当导致的性能问题。
性能优化：元空间的引入允许JVM对类元数据的访问进行优化，因为它们现在位于本地内存中，这可能比堆内存提供更快的访问速度。