聊一聊JVM

• 2021 年 3 月 1 日
• 筆記
• JAVA

JVM

什麼是JVM？

​ JVM是java虛擬機的縮寫，本質上是一個程式，能識別.class位元組碼文件（.java文件編譯後產生的二進位程式碼），並且能夠解析它的指令，最終調用作業系統上的函數，完成我們想要的操作。

​ 關於java語言的跨平台性（一次編譯，多次運行），就是應為JVM，可以把它想像出一個抽象層，運行在作業系統之上的，與硬體沒有直接的交互，只要這個抽象層JVM正確執行了.class文件，就能運行在各種作業系統之上了。

​ 介紹幾個術語：

• JDK：java開發工具包，JDK=JRE+javac/java/jar等指令工具
• JRE：java運行環境，JRE=JVM+java基本類庫

JVM體系結構

​ java虛擬機主要分為五大模組：

• 類載入器
• 運行時數據區
• 執行引擎
• 本地方法介面
• 垃圾收集模組

​ 方法區是一種特殊的堆，棧裡面不回有垃圾，用完就彈出了，否則阻塞了main方法。垃圾幾乎都在堆里，所以JVM性能調優%99都針對與堆。

​ 目前最常用的JVM是Sun公司的HotSpot，此外還有BEA公司的JRockit和IBM公司的J9 VM。

類載入器

​ 作用：載入.class位元組碼文件。

new一個對象的過程

//運行時，JVM將Test的資訊放入方法區
public class Test{
  public static void main(String[] args){
    Student s1 = new Student("Tom");//引用放在棧里，具體的實例放在堆里
    Student s2 = new Student("Jerry");
    Student s3 = new Student("Victor");
    //三個hashCode是不同的，因為是三個不同的對象，對象是具體的
    System.out.println(s1.hashCode());
    System.out.println(s2.hashCode());
    System.out.println(s3.hashCode());
    //class1,class2,class3為同一個對象，因為這是類模版，模版是抽象的
    Class<? extends Stedent> class1 = s1.getClass();
    Class<? extends Stedent> class2 = s2.getClass();
    Class<? extends Stedent> class3 = s3.getClass();
    System.out.println(class1.hashCode());
    System.out.println(class2.hashCode());
    System.out.println(class3.hashCode());
  }
}

1. 首先Class Loader讀取位元組碼文件，載入初始化生成Student模版類。
2. 通過Student模版類new出三個對象。

類載入器的類別

public class Test{
  public static void main(String[] args){
    Student s = new Student("Tom");
    Class<? extends Student> c = s.getClass();
    ClassLoader classLoader = c.getClassLoader();
    System.out.println(classLoader);//APPClassLoader
    System.out.println(classLoader.getParent());//PlatformClassLoader
    System.out.println(classzLader.getParent().getParent());//null,獲取不到(C++寫的)
  }
}

​ 根據返回結果，級別從高到低有三種載入器：

1. 啟動類（根）載入器：BootStrapClassLoader。
   • c++編寫的，載入java核心庫，構造拓展類載入器和應用程式載入器
   • 根載入器載入拓展類載入器，並且將拓展類載入器的父載入器設置為根載入器
   • 然後在載入應用程式載入器，應將應用程式的載入器的父載入器設置為拓展類載入器
   • 由於根載入器涉及到虛擬機本地實現的細節，我們無法直接獲取到啟動類載入器的引用，這就是上面第三個結果為null的原因
   • 載入文件存在於/jdk/jdk1.8/jre/lib/rt.jar
2. 拓展類載入器：PlatformClassLoader
   • java編寫，載入擴展庫，開發者可以直接使用標準擴展類載入器
   • java9之前稱為ExtClassLoader
   • 載入文件存在於…/lib/ext
3. 應用程式載入器：AppClassLoader
   • Java編寫，載入程式所在的目錄，是java默認的類載入器
4. 用戶自定義載入器：CustomeClassLoader
   • java編寫，用戶自定義的類載入器，可載入指定路徑的class文件

​ 實際上，這些載入器的區別就是載入不同範圍或不同路徑的.class文件。

雙親委派機制

​ 雙親委派機制是類載入器收到類載入的請求，會將這個請求向上委託給父類載入器去完成，一直向上委託，直到根載入器BootStrapClassLoader。根載入器檢查是否能夠載入當前類，能載入就結束，使用當前類載入器，否則就拋出異常，通知子載入器進行載入。

​ 舉個例子，我們重寫java.lang包下的String類:

package java.lang;
public class String{
  public String toString(){
    return "xing";
  }
  public static void main(String[] args){
    new String().toString;
  }
}

//Error:(1,1) java：程式包已存在於另一個模組中：java:base

​ 我們會發現報錯，這就是雙親委派機制起的作用，當類載入器委託到根載入器的時候，String類已經被根載入器載入過一遍了，所以不會再載入，從一定程度上防止了危險程式碼的植入。

作用總結：

1. 防止重複載入同一個.class，通過不斷委託父載入器直到根載入器，如果父載入器載入過了，就不用再載入一遍，保證數據安全。
2. 保證系統核心.class不被篡改。通過委託方式，不會去篡改核心.class，即使篡改也不會去載入，即使載入也不會是同一個.class對象了。不同的載入器載入同一個.class也不是同一個class對象，這樣保證了class執行安全。

沙箱安全機制

什麼是沙箱

​ java安全模型的核心就是java沙箱（sandbox）。

​ 沙箱是一個限制程式運行的環境。沙箱機制就是將java程式碼限定在虛擬機特定的運行範圍中，並且嚴格限制程式碼對本地系統資源的訪問，通過這樣的措施來保證對程式碼的有效隔離，防止對本地系統的破壞。

​ 沙箱主要限制系統資源訪問，包括CPU、記憶體、文件系統、網路。不同級別的沙箱對這些資源訪問的限制也不一樣。

​ 所有的java程式運行都可以指定沙箱，可以訂製安全策略。

java中安全模型的演進

​ 在java中將執行程式分為本地程式碼和遠程程式碼兩種：本地程式碼可信任，可以訪問一起本地資源。遠程程式碼不可信任，在早期的java實現中，安全依賴於沙箱機制。

​ 如此嚴格的安全機制也給程式的功能擴展帶來障礙，比如當用戶希望遠程程式碼訪問本地系統文件的時候，就無法實現。因此在後續的java1.1中，針對安全機製做了改進，增加了安全策略，允許用戶指定程式碼對本地資源的訪問許可權。

​ 在java1.2版本中，再次改進了安全機制，增加了程式碼簽名。不論本地程式碼或者遠程程式碼，都會按照用戶的安全策略設定，由類載入器載入到虛擬機中許可權不同的運行空間，來實現差異化的程式碼執行許可權控制。

​ 當前最新的安全機制實現，則引入了域(Domain)的概念。虛擬機會把所有的程式碼載入到不同的系統域和應用域，系統域部分專門負責與關鍵資源進行交互，應用域部分則通過系統域的部分代理來對各種需要的資源進行訪問。虛擬機中不同的受保護域對應不一樣的許可權，存在於不同域中的類文件就具有了當前域的全部許可權。

組成沙箱的基本組件

1. 位元組碼校驗器（bytecode verifier）

   確保java類文件遵循java語言規範。這樣可以幫助java程式實現記憶體保護。但並不是所有的類文件都會經過位元組碼校驗，比如核心類。

2. 類裝載器（class loader）

   類裝載器在3個方面對java沙箱起作用

   • 防止惡意程式碼去干涉善意的程式碼
   • 守護了被信任的類庫邊界
   • 將程式碼歸入保護域，確定了程式碼可以進行哪些操作。

   虛擬機為不同的類載入器載入的類提供不同的命名空間，命名空間由一系列唯一的名稱組成，每一個被裝載的類將有一個名字，這個命名空間是由java虛擬機為每一個類裝載器維護的，他們互相之間甚至不可見。

3. 存取控制器（access controller）：存取控制器可以控制核心API對作業系統的存取許可權，而這個控制的策略設定可以由用戶指定。

4. 安全管理器（security manager）：是核心API和作業系統之間的主要介面。實現許可權控制，比如存取控制器優先順序高。

5. 安全軟體包（security package）：java.security下的類和擴展包下的類，允許用戶為自己的應用增加新的安全特性，包括安全提供者、消息摘要、數字簽名、加密、鑒別。

Native本地方法介面

​ JNI：java native interface

​ 本地介面的作用是融合不同的程式語言為java所用，它的初衷是融合C/C++程式。

​ 凡是帶native關鍵字的，就說明java的作用範圍達不到了，會去調用底層c語言庫，進入本地方法棧，調用本地方法介面JNI，拓展java的使用，融合不同的語言為java所用。

​ java誕生的時候C/C++橫行，為了立足，必須要能夠調用C/C++程式，於是在記憶體區域中專門開闢了一塊標記區域：Native Method Stack，登記Native方法，最終在執行引擎上執行的時候通過JNI載入本地方法庫中的方法。目前該方法的使用越來越少了，除非是與硬體有關的應用，比如通過java程式驅動印表機或者java系統管理生產設備，在企業級應用中已經比較少見。因為現在的異構領域間通訊很發達，比如可以用Socket通訊，也可以使用Web Service等。

運行時數據區

PC暫存器（Program Counter Register）

​ 每個執行緒都有一個程式計數器，是執行緒私有的，就是一個指針，指向方法區中的方法位元組碼（用來存儲指向像一條指令的地址，也即將要執行的指令程式碼），在執行引擎讀取下一條指令，是一個非常小的記憶體空間，幾乎可以忽略不計。

方法區（Method Area）

​ 方法區與java堆一樣，是各個執行緒共享的記憶體區域，用於存儲已被虛擬機載入的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器遍以後的程式碼等數據。雖然java虛擬機規範把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名Non-Heap，因此實際上應該和堆區分開。

方法區中有啥？

• 靜態變數（static）
• 常量（final）
• 類資訊（構造方法，介面定義）
• 運行時的常量池

創建對象記憶體分析

public class Person{
  int age;
  String name = "xing";
  public Person(int age, String name){
    this.age = age;
    this.name = name;
  }
  
  public static void main(String[] agrs){
    Person s1 = new Person(18,"Tom");
  }
}
/*
創建一個對象時，方法區中會生成對應類的抽象模版；還有對應的常量池、靜態變數、類資訊、常量。
我們通過類模版去new對象的時候，堆中存放實例對象，棧中存放對象的引用，每個對象對應一個地址指向堆中相同地址的實例對象。
*/

棧

​ 主管程式的運行，生命周期和執行緒同步。執行緒結束，棧記憶體就釋放了，不存在垃圾回收。棧中存放8大基本類型，對象引用，實例的方法。

棧運行的原理

​ 棧表示java方法執行的記憶體模型，每調用一個方法就會為每個方法生成一個棧幀（Stack Frame），每個方法被調用的完成的過程，都對應一個棧幀從虛擬機棧上入棧和出棧的過程。程式正在執行的方法一定在棧的頂部。

堆棧溢出（StackOverflowError）

public class Test{
  public static void main(String[] args){
    new Test().a();
  }
  
  public void a(){
    b();
  }
  public void b(){
    a();
  }
}

//最開始，main()方法壓入棧中，然後執行a(),a()押入棧中，在調用b(),b()押入棧棧中，以此往複，最終導致棧溢出

堆

​ 一個JVM只有一個堆記憶體（棧是執行緒級的），堆記憶體的大小是可以調節的，堆中存放實例化的對象。

堆記憶體詳解

1. 年輕代

   對象的誕生、成長甚至死亡的區

   • Eden Space（伊甸園區）：所有對象都是在此new出來的
   • Survivor Space（倖存區）
     • 倖存0區（From Space），動態的From和To會互相交換
     • 倖存1區（To Space）

   Eden區佔大容量，Survivor兩個區佔小容量，默認比例是8:1:1。

2. 老年代

3. Perm元空間

   存儲的是java運行時的一些環境或類資訊，這個區域不存在垃圾回收。關閉虛擬機就會釋放這個區域的記憶體，這個區域常駐記憶體，用來存放JDK自身攜帶的Class對象、Interface元數據。jdk1.8之前被稱為永久代。

   注意：元空間在邏輯上存在，在物理上不存在。新生代+老年代的記憶體空間=JVM分配的總記憶體。

什麼是OOM

​ 記憶體溢出，產生原因：

• 分配的太少
• 用的太多
• 用完沒釋放

GC垃圾回收

​ 主要在年輕代和老年代。

​ 首先對象出生在伊甸園區，假設伊甸園區只能存在一定數量的對象，則每當存滿時就會出發一次輕GC（Minor GC）。輕GC清理後，有的對象可能還存在引用，就活下來了，活下來的對象就進入倖存區；有的對象沒用了，就被GC清理掉了；每次輕GC都會使得伊甸園區為空。

​ 如果倖存區和伊甸園區都滿了，則會進入老年代，如果老年代滿了，就會出發一次重GC（FullGC），年輕代+老年代的對象都會清理一次，活下來的對象都進入老年代。

​ 如果新生代和老年代都滿了，則OOM。

• Minor GC：伊甸園區滿時觸發，從年輕代回收記憶體
• Full GC：老年代滿時觸發，清理整個堆空間
• Major GC：清理老年代

​ 什麼情況下永久區會崩？一個啟動類載入了大量的第三方jar包，Tomcat部署了過多應用，或者大量動態生成的反射類，這些東西不斷的被載入，知道記憶體滿，就會出現OOM。

堆記憶體調優

查看並設置JVM堆記憶體

public class Test{
  public static void main(String[] args){
    //返回jvm試圖使用的最大記憶體
    long max = Runtime.getRuntime().maxMemory();
    //返回jvm的初始化記憶體
    long total = Runtime.getRuntime().totalMemory();
    //默認情況下：分配的總記憶體為電腦記憶體的1/4，初始化記憶體為電腦記憶體的1/64
    System.out.println("max=" + max / (double) 1024 / 1024 / 1024 + "G");
    System.out.println("total=" + total / (double) 1024 / 1024 / 1024 + "G");
  }
}

​ 我們可以手動調整堆記憶體的大小，在VM options 中可以指定jvm試圖使用的最大記憶體和jvm初始化記憶體的大小。

-Xms1024m -Xmx1024m -Xlog:gc*

• -Xms用來設置jvm試圖使用的最大記憶體
• -Xmx用來設置jvm初始化記憶體
• -Xlog:gc*用來列印GC垃圾回收資訊

怎麼排除OOM錯誤？

1. 嘗試擴大堆記憶體看結果

2. 利用記憶體快照工具JProfiler

   作用：分析Dump記憶體文件，快速定位記憶體泄漏；獲得堆中的文件；獲得大的對象

   Dump文件是進程的記憶體鏡像，可以把程式的執行狀態通過調試器保存到dump文件中

   import java.util.ArrayList;
   
   public class Test{
     byte[] array = new byte[1024*1024];//1M
     public static void main(String[] args){
       ArrayList<Test> list = new ArrayList<>();
       int count = 0;
       try{
         while(true){
           list.add(new Test());
           count++;
         }
       }catch(Exception e){
         System.out.println("count="+count);
         e.printStackTrace();
       }
     }
   }
   

   運行程式，報錯OOM。

   接下來設置一下堆記憶體並附加生成dump文件的指令

   -Xms1m -Xmx8m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
   

   -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError表示當JVM發生OOM時，自動生成DUMP文件。再次點擊運行，下載了對應的Dump文件。

   分析步驟：

   • 右鍵該類，點擊Show in Explorer
   • 一直點擊上級目錄，直到找到.hprof文件

   每次打開dump文件查看完後，建議刪除，打開文件後生成了很多內容，占記憶體。

GC垃圾回收

​ 之前已經堆GC垃圾回收流程進行了大概的講解：JVM在進行GC時，大部分回收都是在年輕代。

GC演算法

1. 引用計數法（很少使用）

   • 每個對象在創建的時候，就給這個對象綁定一個計數器。
   • 每當有一個引用指向該對象時，計數器加一；每當有一個指向它的引用被刪除時，計數器減一；
   • 這樣，當沒有引用指向該對象時，該對象死亡，計數器為0，這時就應該對這個對象進行垃圾回收操作。

2. 複製演算法

   複製演算法主要發生在年輕代（倖存0區和倖存1區）

   • 當Eden區滿的時候，會觸發輕GC，每觸發一次，活的對象就被轉移到倖存區，死的對象就被GC清理掉，所以每次觸發輕GC時，Eden區就會清空
   • 對象被轉移到了倖存區，倖存區又分為From Space和To Space，這兩塊區域是動態交換的，誰是空的誰就是To Space，然後From Space就會把全部對象轉移到To Space去；
   • 那如果兩塊區域都不為空呢？這就用到了複製演算法，其中一個區域會將存活的對象轉移到另一個區域去，然後將自己區域的記憶體空間清空，這樣該區域為空，又成為了To Space
   • 所以每次觸發輕GC後，Eden區清空，同時To區也清空了，所有的對象都在From區

   好處：沒有記憶體碎片

   壞處：浪費記憶體空間（浪費倖存區一半的空間）；對象存活率較高的場景下，需要複製的東西太多，效率會下降。

   最佳使用環境：對象存活率較低的時候，也就是年輕代。

3. 標記-清除演算法

   為每個對象存儲一個標記位，記錄對象的生存狀態。

   • 標記階段：這個階段內，為每個對象更新標記位，檢查對象是否死亡。
   • 清除階段：該階段對死亡的對象進行清除，執行GC操作。

   缺點：兩次掃描嚴重浪費時間；會產生記憶體碎片

   優點：不需要額外的空間

4. 標記-整理演算法

   這個是標記-清除演算法的一個改進版，又叫做標記-清除-壓縮演算法。不同的是在第二個階段，該演算法並沒有直接對死亡的對象進行清理，而是將所有存貨的對象整理一下，放到另一處空間，然後把剩下的所有對象全部清除。可以進一步優化，在記憶體碎片不太多的情況下，就繼續標記清除，到達一定量的時候再壓縮。

有沒有最優的演算法？

​ 沒有最優演算法，只有最合適的。

​ GC也稱為分代收集演算法，對於年輕代，對象存活率低用複製演算法；對於老年代，區域大，對象存活率高，用標記清除+標記壓縮混合實現。