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初识JVM

分类：JVM作者：编程之家原文地址AI导航网

JVM初探

1、JVM的位置

 

 

 

2、JVM体系结构

 

 

 

 

 

本地方法接口：JNI（Java Native Interface）

3、类加载器

作用：加载Class文件。

  • 1、虚拟机自带的加载器

  • 2、启动类（根）加载器【BOOT】

  • 3、扩展类加载器【EXT】

  • 4、应用程序加载器【APP】

注：从4到1进行加载

1、双亲委派

解释：双亲委派机制（安全）：APP—>EXT—>BOOT【最终执行】

  1. 类加载器收到类加载的请求

  2. 将这个请求向上委托为父类加载器去完成，一直向上委托，直到启动类加载器

  3. 启动类加载器检查是否能够加载当前的这个类，能加载就结束，使用当前的加载器，否则抛出异常，通知子加载器进行加载

  4. 重复步骤 3

但是BOOT根加载器输出是null，这是java调用不到~ C，C++

Java = C++-- ：去掉繁琐的东西（指针、内存管理等）

package com.draco.parents;
​
/**
 * 双亲委派机制
 */
public class Car {
    public static void main(String[] args) {
        Car car1 = new Car();
        Car car2 = new Car();
        Car car3 = new Car();
​
        //不同的实例
        System.out.println("car1 hashCode="+car1.hashCode());
        System.out.println("car2 hashCode="+car2.hashCode());
        System.out.println("car3 hashCode="+car3.hashCode());
​
        //同一个类模版
        Class<? extends Car> aClass1 = car1.getClass();
        Class<? extends Car> aClass2 = car2.getClass();
        Class<? extends Car> aClass3 = car3.getClass();
​
        System.out.println("aClass1 hashCode="+aClass1.hashCode());
        System.out.println("aClass2 hashCode="+aClass2.hashCode());
        System.out.println("aClass3 hashCode="+aClass3.hashCode());
​
        //由于类模版都是一个，以下就选择一个进行测试
        ClassLoader classLoader = aClass1.getClassLoader();
​
        System.out.println(classLoader);  //AppClassLoader
​
        System.out.println(classLoader.getParent());  //ExtClassLoader  所在位置：\jre\lib\ext
​
        System.out.println(classLoader.getParent().getParent());  //null 1.不存在  2.java程序获取不到  所在位置：rt.jar
​
    }
}
​

  • 运行测试结果：

image-20210129185753713

2、面试问题

  • 为什么需要双亲委派机制?（也就是双亲委派的优点）

    ①双亲委派机制使得类加载出现层级，父类加载器加载过的类，子类加载器不会重复加载，可以防止类重复加载；

    ②使得类的加载出现优先级，防止了核心API被篡改，提升了安全，所以越基础的类就会越上层进行加载，反而一般自己的写的类，就会在应用程序加载器（Application）直接加载。

  • 如何打破双亲委派？

    ①自定义类加载器，重写loadClass方法

    ②使用线程上下文类加载器

4、沙箱安全机制

1、什么是沙箱

沙箱是一个限制程序运行的环境。沙箱机制就是将 Java 代码限定在虚拟机(JVM)特定的运行范围中，并且严格限制代码对本地系统资源访问，通过这样的措施来保证对代码的有效隔离，防止对本地系统造成破坏。沙箱主要限制系统资源访问，那系统资源包括什么？——==cpu、内存、文件系统、网络==。不同级别的沙箱对这些资源访问的限制也可以不一样。

所有的Java程序运行都可以指定沙箱，可以定制安全策略。

2、组成沙箱的基本组件

  • 字节码校验器（bytecode verifier）：确保java类文件遵循Java语言规范。这样可以帮助Java程序实现内存保护。但并不是所有的类文件都会经过字节码校验，比如核心类。

  • 类装载器（class loader）：其中类装载器在3个方面对Java沙箱起作用

    • 它防止恶意代码去干涉善意的代码；

    • 它守护了被信任的类库边界；

    • 它将代码归入保护域，确定了代码可以进行哪些操作。

  虚拟机为不同的类加载器载入的类提供不同的命名空间，命名空间由一系列唯一的名称组成，每一个被装载的类将有一个名字，这个命名空间是由Java虚拟机为每一个类装载器维护的，它们互相之间甚至不可见。

  类装载器采用的机制是==双亲委派模式==。

  1. 从最内层JVM自带类加载器开始加载，外层恶意同名类得不到加载从而无法使用；

  2. 由于严格通过包来区分了访问域，外层恶意的类通过内置代码也无法获得权限访问到内层类，破坏代码就自然无法生效。

  • 存取控制器（access controller）：存取控制器可以控制核心API对操作系统的存取权限，而这个控制的策略设定，可以由用户指定。

  • 安全管理器（security manager）：是核心API和操作系统之间的主要接口。实现权限控制，比存取控制器优先级高。

  • 安全软件包（security package）：java.security下的类和扩展包下的类，允许用户为自己的应用增加新的安全特性，包括：

    • 安全提供者

    • 消息摘要

    • 数字签名

    • 加密

    • 鉴别

5、Native（重点）

编写一个多线程启动类

public static void main(String[] args) {
    new Thread(() -> {},"Thread1").start();
}

点进去start方法

public synchronized void start() {
​
    if (threadStatus != 0)
        throw new IllegalThreadStateException();
​
    group.add(this);
​
    boolean started = false;
    try {
        start0(); // 调用了start0()方法
        started = true;
    } finally {
        try {
            if (!started) {
                group.threadStartFailed(this);
            }
        } catch (Throwable ignore) {
​
        }
    }
}
// 凡是带了native关键字的，就说明Java的作用范围达不到了，会去调用底层C语言的库
private native void start0(); //start0()方法的定义，这个方法会调用底层C

Java在内存区域中专门开辟了一块标记区域——本地方法栈，用来登记native方法，凡是带了native关键字的，会进入到本地方法栈中，调用本地方法接口（JNI），在最终执行的时候，加载本地方法库中的方法通过JNI

image-20210131125351239

  • JNI的作用：扩展Java的使用，融合不同的编程语言为Java所用，不过最初是想融合C，C++的，因为Java诞生的时候，C，C++横行，想要立足的话就要有能调用C的程序

  • 本地方法栈：具体做法是，在Native Method Stack中登记native方法，在执行引擎执行的时候加载Native Libraies【本地库】

6、PC寄存器

程序计数器：Program Counter Register

每个线程都有一个程序计数器， 是线程私有的，就是一个指针， 指向方法区中的方法字节码(用来存储指向像一条指令的地址， 也即将要执行的指令代码)，在执行引擎读取下一条指令, 是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不计

7、方法区

方法区：Method Area

方法区是被所有线程共享，所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法，如构造函数，接口代码也在此定义，简单说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，此区域属于共享区间；

静态变量、常量、类信息(构造方法、接口定义)、运行时的常量池存在方法区中，但是实例变量存在堆内存中，和方法区无关。简单的来说就是：==static、final、Class、常量池==

8、栈

  • 程序 = 数据结构 + 算法 【持续学习】

  • 大多数人程序 = 框架 + 业务逻辑【饭碗】

栈：先进后出，后进先出

队列：先进先出（FIFO：first input first output）

栈：栈内存，主管程序的运行，生命周期和线程同步；

线程结束，栈内存也就释放了，对于栈来说==不存在垃圾回收问题==，一旦线程结束，栈就Over了

1、栈里面存放什么

栈：8大基本类型 + 对象的引用 + 实例的方法

2、栈运行原理

栈帧

image-20210201182918164

栈满了：StackOverflowError

3、栈堆方法区的交互关系

image-20210201185248813

9、三种JVM

  • Sun公司 HotSpot Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.121-b13, mixed mode)

  • BEA JRockit

  • IBM J9VM

10、堆

Heap，一个JVM只有一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的。

1、堆里面存放什么

类加载器读取了类文件后，一般会把什么东西放在堆中？ 类，方法，常量，变量，保存我们所有引用类型的真实对象

堆内存中还要细分为三个区域：

  • 新生区（伊甸园区）young/new

  • 养老区 old

  • 永久区 perm

==GC垃圾回收，主要在伊甸园区和养老区==

image-20210201210010927

假设内存满了，OOM，堆内存不够！java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

package com.draco.heapOverflow;
import java.util.Random;
​
/**
 * 堆溢出
 */
public class HeapOver {
    public static void main(String[] args) {
        String name = "adfjkllkjfdsa";
        while(true){
            name += name + new Random().nextInt(888888888)+new Random().nextInt(999999999);
        }
    }
}

image-20210201212708979在JDK8以后，永久存储区改了个名字叫：==元空间==

2、新生区

  • 新生区：类诞生和成长的地方，甚至死亡；

    • 伊甸园区，所有对象都是在伊甸园区new出来的

    • 幸存者区（0、1）

image-20210201215342076

真理：进过研究，99%的对象都是临时对象！

3、养老区

新生区没干掉，没杀死的来到了养老区~

4、永久区

这个区域是常驻内存的。用来存放JDK自身携带的Class对象，Interface元数据，存储的是Java运行时的一些环境或类信息，这个区域不存在垃圾回收！当关闭VM虚拟机就会释放这个区域的内存。

一个启动类加载了大量的第三方jar包；Tomcat部署了太多的应用；大量动态生成的反射类等 不断的被加载，直到内存满，就会出现OOM。

  • jdk1.6 之前：永久代，常量池是在方法区中；

  • jdk1.7 ：永久代，但是慢慢退化了，去永久代，常量池在堆中

  • jdk1.8 之后：无永久代，常量池在元空间

image-20210201222307209

但是，元空间：逻辑上存在，物理上不存在

package com.draco.heapOverflow;
​
/**
 * 元空间逻辑上存在，物理上不存在
 */
public class SanQu {
    public static void main(String[] args) {
        // 返回jvm试图使用的最大内存
        long max = Runtime.getRuntime().maxMemory();
        // 返回jvm的初始化内存
        long total = Runtime.getRuntime().totalMemory();
​
        System.out.println("max="+max+"字节\t"+(max/(1024*1024))+"MB");
        System.out.println("total="+total+"字节\t"+(total/(1024*1024))+"MB");
​
        //默认情况下，试图分配的最大内存是电脑内存的1/4，而初始化的内存是1/64
        // -xms1024m -Xmx1024m -XX:+PrintGCDetails
    }
}

运行结果：

image-20210201230739376

当修改了VM选项后：-xms1024m -Xmx1024m -XX:+PrintGCDetails，输出结果：

image-20210201230953431

让我们来算一笔账，

新生区：305664k；养老区：699392k

加在一起：1,005,056k，除以1024后 = 981.5MB，等于jvm试图分配的最大内存，所以说元空间逻辑上存在，物理上不存在。

5、出现OOM

  1. 尝试扩大堆内存去查看内存结果

    -xms1024m -Xmx1024m -XX:+PrintGCDetails

  2. 若不行，分析内存，看一下是哪个地方出现了问题（专业工具）

    • 能够看到代码第几行出错：内存快照分析工具，MAT（eclipse），jprofiler

    • dubug，一行行分析代码！（不现实）

 

MAT，jprofiler作用：

  • 分析Dump内存文件，快速定位内存泄漏

  • 获得堆中的数据

  • 获得大的对象

  • ......

 

运行出现堆溢出：

package com.draco.heapOverflow;
​
import java.util.ArrayList;
​
public class jprofilerTest {
    byte[] array = new byte[1*1024*1024];
​
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<jprofilerTest> list = new ArrayList<>();
        int count = 0;
        try {
            while(true){
                list.add(new jprofilertest());
                count++;
            }
        }catch (Exception e){
            System.out.println("count="+count);
            e.printstacktrace();
        }
    }
}

设置VM options -xms1m -Xmx8m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError后，再次运行，控制台输出：

image-20210202134131995

找到HPROF快照

image-20210202140158342

双击打开

image-20210202140606282

修改代码，把try catch中的Exception改成Error后运行：

image-20210202172145431

6、VM options参数

-xms 设置初始化内存分配大小，默认1/64

-Xmx 设置最大分配内存，默认1/4

-XX:+PrintGCDetails 打印GC垃圾回收信息

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 生成oomDump文件

-xms1m -Xmx8m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

-xms1024m -Xmx1024m -XX:+PrintGCDetails

11、GC垃圾回收

1、GC的作用区域

image-20210202173224815

JVM在进行GC时，并不是对这三个区域统一回收，大部分时候，回收都是新生代

  • 新生代

  • 幸存区（form to）【会交换的，不是一成不变的】

  • 老年区

GC两种类型：轻GC（普通的GC），重GC（全局GC）

2、GC相关题目

  • JVM的内存模型和分区~详细到每个区放什么？

  • 堆里面的分区有哪些？Eden，from，to，old，说说他们的特点~

  • GC的算法有哪些？标记清除法，标记整理/压缩法，复制算法，引用计数法，怎么用的？

  • 轻GC和重GC分别在什么时候发生？

3、GC算法

引用计数法

image-20210202191444745

哪个对象的引用数为0，就会回收哪个对象

复制算法

image-20210202200613995

image-20210317230555221

一般新生代（伊甸园区、幸存区）会使用复制算法，生成新的to区

  • 好处：没有内存的碎片

  • 坏处：浪费了内存空间，多了一半空间永远是空to。 假设对象是100%存活的对象（极端情况下）不适用

==复制算法最佳使用场景：对象存活度较低的时候，也就是新生区==

标记清除

image-20210202203154896

  • 缺点：两次扫描，严重浪费时间，会产生内存碎片

  • 优点：不需要额外的空间

标记压缩

对于标记清除的再压缩

image-20210202204042836

但是又多了一个移动成本

标记清除压缩

先标记清除一次，然后再压缩

 

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

思考：难道没有最优算法吗？

答案：没有，没有最好的算法，只有最合适的——>GC：分代收集算法

 

年轻代：

  • 存活率低

  • 复制算法

 

老年代：

  • 区域大，存活率高

  • 标记清除（内存碎片不是太多） + 标记压缩混合实现

 

还是要多看书《深入理解JVM》，花时间去深究，多看面试题。

 

JMM

  1. 什么是JMM？

    JMM：Java Memory Model的缩写

  2. 它干嘛的？

    作用：缓存一致性协议，用于定义数据读写的规则。

    JMM定义了线程工作内存和主内存之间的抽象关系，线程之间的共享内存存储在主内存（Main Memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory）

image-20210202211809212

解决共享对象可见性这个问题：voliate

  1. 它该如何学习？

    JMM：抽象的概念，理论

    image-20210318003405846

    voliate等等

 

最后：==拥抱开源时代，享受技术给我们带来的新体验==

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