一文理解JVM虛擬機（內(nèi)存、垃圾回收、性能優(yōu)化）解決面試中遇到問題

作者：Ccww 2019-12-18 15:13:33

云計算

虛擬化 Java堆是java虛擬機所管理內(nèi)存中最大的一塊內(nèi)存空間，處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間，只要邏輯連續(xù)即可，主要用于存放各種類的實例對象。

一. JVM內(nèi)存區(qū)域的劃分

1.1 java虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)

java虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)分布圖：

 

• JVM棧(Java Virtual Machine Stacks)： Java中一個線程就會相應(yīng)有一個線程棧與之對應(yīng)，因為不同的線程執(zhí)行邏輯有所不同，因此需要一個獨立的線程棧，因此棧存儲的信息都是跟當前線程(或程序)相關(guān)信息的，包括局部變量、程序運行狀態(tài)、方法返回值、方法出口等等。每一個方法被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。
• 堆(Heap)： 堆是所有線程共享的，主要是存放對象實例和數(shù)組。處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間，只要邏輯連續(xù)即可
• 方法區(qū)(Method Area)： 屬于共享內(nèi)存區(qū)域，存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)
• 常量池(Runtime Constant Pool)： 它是方法區(qū)的一部分，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用。
• 本地方法棧(Native Method Stacks)：

其中，堆(Heap)和JVM棧是程序運行的關(guān)鍵,因為：

1. 棧是運行時的單位(解決程序的運行問題，即程序如何執(zhí)行，或者說如何處理數(shù)據(jù))，而堆是存儲的單位(解決的是數(shù)據(jù)存儲的問題，即數(shù)據(jù)怎么放、放在哪兒)。
2. 堆存儲的是對象。棧存儲的是基本數(shù)據(jù)類型和堆中對象的引用;(參數(shù)傳遞的值傳遞和引用傳遞)

那為什么要把堆和棧區(qū)分出來呢?棧中不是也可以存儲數(shù)據(jù)嗎?

1. 從軟件設(shè)計的角度看，棧代表了處理邏輯，而堆代表了數(shù)據(jù)，分工明確，處理邏輯更為清晰體現(xiàn)了“分而治之”以及“隔離”的思想。
2. 堆與棧的分離，使得堆中的內(nèi)容可以被多個棧共享(也可以理解為多個線程訪問同一個對象)。這樣共享的方式有很多收益：提供了一種有效的數(shù)據(jù)交互方式(如：共享內(nèi)存);堆中的共享常量和緩存可以被所有棧訪問，節(jié)省了空間。
3. 棧因為運行時的需要，比如保存系統(tǒng)運行的上下文，需要進行地址段的劃分。由于棧只能向上增長，因此就會限制住棧存儲內(nèi)容的能力。而堆不同，堆中的對象是可以根據(jù)需要動態(tài)增長的，因此棧和堆的拆分，使得動態(tài)增長成為可能，相應(yīng)棧中只需記錄堆中的一個地址即可。
4. 堆和棧的結(jié)合完美體現(xiàn)了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計。當我們將對象拆開，你會發(fā)現(xiàn)，對象的屬性即是數(shù)據(jù)，存放在堆中;而對象的行為(方法)即是運行邏輯，放在棧中。因此編寫對象的時候，其實即編寫了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也編寫的處理數(shù)據(jù)的邏輯。

1.2 堆(Heap)和JVM棧：

1.2.1 堆(Heap)

Java堆是java虛擬機所管理內(nèi)存中最大的一塊內(nèi)存空間，處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間，只要邏輯連續(xù)即可，主要用于存放各種類的實例對象。該區(qū)域被所有線程共享，在虛擬機啟動時創(chuàng)建，用來存放對象的實例，幾乎所有的對象以及數(shù)組都在這里分配內(nèi)存(棧上分配、標量替換優(yōu)化技術(shù)的例外)。

在 Java 中，堆被劃分成兩個不同的區(qū)域：新生代 ( Young )、老年代 ( Old )。新生代 ( Young ) 又被劃分為三個區(qū)域：Eden、From Survivor(S0)、To Survivor(S1)。如圖所示：

堆的內(nèi)存布局:

 

這樣劃分的目的是為了使jvm能夠更好的管理內(nèi)存中的對象，包括內(nèi)存的分配以及回收。 而新生代按eden和兩個survivor的分法，是為了

• 有效空間增大，eden+1個survivor;
• 有利于對象代的計算，當一個對象在S0/S1中達到設(shè)置的XX:MaxTenuringThreshold值后，會將其挪到老年代中，即只需掃描其中一個survivor。如果沒有S0/S1,直接分成兩個區(qū)，該如何計算對象經(jīng)過了多少次GC還沒被釋放。
• 兩個Survivor區(qū)可解決內(nèi)存碎片化

1.2.2 堆棧相關(guān)的參數(shù)

Note： 每次GC 后會調(diào)整堆的大小，為了防止動態(tài)調(diào)整帶來的性能損耗，一般設(shè)置-Xms、-Xmx 相等。

新生代的三個設(shè)置參數(shù)：-Xmn，-XX:NewSize，-XX:NewRatio的優(yōu)先級：

?1).最高優(yōu)先級： -XX:NewSize=1024m和-XX:MaxNewSize=1024m

? 2).次高優(yōu)先級： -Xmn1024m (默認等效效果是：-XX:NewSize==-XX:MaxNewSize==1024m)

? 3).最低優(yōu)先級：-XX:NewRatio=2

??推薦使用的是-Xmn參數(shù)，原因是這個參數(shù)很簡潔，相當于一次性設(shè)定NewSize和MaxNewSIze，而且兩者相等。

1.3 jvm對象

1.3.1 創(chuàng)建對象的方式

 

各個方式的實質(zhì)操作如下：

1.3.2 jvm對象分配

在虛擬機層面上創(chuàng)建對象的步驟：

1.3.3 對象分配內(nèi)存方式

分配對象內(nèi)存，有兩種分配方式，指針碰撞和空閑列表：

1)如果內(nèi)存是規(guī)整的，那么虛擬機將采用的是指針碰撞法(Bump The Pointer)來為對象分配內(nèi)存。意思是所有用過的內(nèi)存在一邊，空閑的內(nèi)存在另外一邊，中間放著一個指針作為分界點的指示器，分配內(nèi)存就僅僅是把指針向空閑那邊挪動一段與對象大小相等的距離罷了。如果垃圾收集器選擇的是Serial、ParNew這種基于壓縮算法的，虛擬機采用這種分配方式。一般使用帶有compact(整理)過程的收集器時，使用指針碰撞。

2)如果內(nèi)存不是規(guī)整的，已使用的內(nèi)存和未使用的內(nèi)存相互交錯，那么虛擬機將采用的是空閑列表法來為對象分配內(nèi)存。意思是虛擬機維護了一個列表，記錄上哪些內(nèi)存塊是可用的，再分配的時候從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給對象實例，并更新列表上的內(nèi)容。這種分配方式成為“空閑列表(Free List)”。

Note： 選擇哪種分配方式由Java堆是否規(guī)整決定，而Java堆是否規(guī)整又由所采用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定。

1.3.4 那什么樣的對象能夠進入老年代(Old)

 

1.4 內(nèi)存分配與回收策略

對象優(yōu)先在Eden分配，大多數(shù)情況下，對象在新生代Eden區(qū)中分配，當Eden區(qū)沒有足夠的空間進行分配時，虛擬機將發(fā)起一次Minor GC;虛擬機提供了-XX:PrintGCDetails參數(shù)，發(fā)生垃圾回收時打印內(nèi)存回收日志，并且在進程退出時輸出當前內(nèi)存各區(qū)域的分配情況。

大對象直接進入老年代，所謂的大對象就是指，需要大量連續(xù)內(nèi)存空間的java對象，最典型的大對象就是那種很長的字符串及數(shù)組。虛擬機提供了一個-XX:PretenureSizeThreshold參數(shù)，令大于這個設(shè)置值得對象直接在老年代中分配(這樣做的目的是避免在Eden區(qū)及兩個Survivor之間發(fā)生大量的內(nèi)存拷貝)

長期存活的對象將直接進入老年代，對象年齡計數(shù)器。-XX:MaxTenuringThreshold

動態(tài)對象年齡判定，虛擬機并不總是要求對象的年齡必須達到MaxTenuringThreshold才能晉升老年代，如果在Survivor空間中相同年齡所有對象大小的總和大于Survivor空間的一半，年齡大于或等于該年齡的對象就可以直接進入老年代，無需等到MaxTenuringThreshold中要求的年齡

空間分配擔保，在發(fā)生Minor GC時(前)，虛擬機會檢測之前每次晉升到老年代的平均大小(因為當次會有多少對象會存活是無法確定的，所以取之前的平均值/經(jīng)驗值)是否大于老年代的剩余空間大小，如果大于，則改為直接進行一次Full GC。如果小于，則查看HandlePromotionFailure設(shè)置是否允許擔保失敗;如果允許，那只會進行Minor GC;如果不允許，則也要改為進行一次Full GC。取平均值進行比較其實仍然是一種動態(tài)概率手段，也就是說如果某次Minor GC存活后的對象突增，遠遠高于平均值的話，依然會導(dǎo)致?lián)Ｊ?Handle Promotion Failure)，這樣會觸發(fā)Full GC。

2.1 引用二 垃圾回收算法分類

 

2.2 GC Root的對象

 

2.3 標記-清除(Mark—Sweep)

被譽為現(xiàn)代垃圾回收算法的思想基礎(chǔ)。

 

標記-清除算法采用從根集合進行掃描，對存活的對象對象標記，標記完畢后，再掃描整個空間中未被標記的對象，進行回收，如上圖所示。標記-清除算法不需要進行對象的移動，并且僅對不存活的對象進行處理，在存活對象比較多的情況下極為高效，但由于標記-清除算法直接回收不存活的對象，因此會造成內(nèi)存碎片。

2.4 復(fù)制算法(Copying)

該算法的提出是為了克服句柄的開銷和解決堆碎片的垃圾回收。建立在存活對象少，垃圾對象多的前提下。此算法每次只處理正在使用中的對象，因此復(fù)制成本比較小，同時復(fù)制過去后還能進行相應(yīng)的內(nèi)存整理，不會出現(xiàn)碎片問題。但缺點也是很明顯，就是需要兩倍內(nèi)存空間。

 

它開始時把堆分成 一個對象 面和多個空閑面， 程序從對象面為對象分配空間，當對象滿了，基于copying算法的垃圾 收集就從根集中掃描活動對象，并將每個活動對象復(fù)制到空閑面(使得活動對象所占的內(nèi)存之間沒有空閑洞)，這樣空閑面變成了對象面，原來的對象面變成了空閑面，程序會在新的對象面中分配內(nèi)存。一種典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法，它將堆分成對象面和空閑區(qū)域面，在對象面與空閑區(qū)域面的切換過程中，程序暫停執(zhí)行。

2.5 標記-整理(或標記-壓縮算法，Mark-Compact，又或者叫標記清除壓縮MarkSweepCompact)

此算法是結(jié)合了“標記-清除”和“復(fù)制算法”兩個算法的優(yōu)點。避免了“標記-清除”的碎片問題，同時也避免了“復(fù)制”算法的空間問題。

 

標記-整理算法采用標記-清除算法一樣的方式進行對象的標記，但在清除時不同，在回收不存活的對象占用的空間后，會將所有的存活對象往左端空閑空間移動，并更新對應(yīng)的指針。標記-整理算法是在標記-清除算法的基礎(chǔ)上，又進行了對象的移動，因此成本更高，但是卻解決了內(nèi)存碎片的問題。在基于Compacting算法的收集器的實現(xiàn)中，一般增加句柄和句柄表。

2.6 分代回收策略(Generational Collecting)

基于這樣的事實：不同的對象的生命周期是不一樣的。因此，不同生命周期的對象可以采取不同的回收算法，以便提高回收效率。

新生代由于其對象存活時間短，且需要經(jīng)常gc，因此采用效率較高的復(fù)制算法，其將內(nèi)存區(qū)分為一個eden區(qū)和兩個suvivor區(qū)，默認eden區(qū)和survivor區(qū)的比例是8:1，分配內(nèi)存時先分配eden區(qū)，當eden區(qū)滿時，使用復(fù)制算法進行g(shù)c，將存活對象復(fù)制到一個survivor區(qū)，當一個survivor區(qū)滿時，將其存活對象復(fù)制到另一個區(qū)中，當對象存活時間大于某一閾值時，將其放入老年代。老年代和永久代因為其存活對象時間長，因此使用標記清除或標記整理算法

總結(jié)：

新生代：復(fù)制算法(新生代回收的頻率很高，每次回收的耗時很短，為了支持高頻率的新生代回收，虛擬機可能使用一種叫做卡表(Card Table)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，卡表為一個比特位集合，每個比特位可以用來表示老年代的某一區(qū)域中的所有對象是否持有新生代對,

2.7 垃圾回收器

 

垃圾回收器的任務(wù)是識別和回收垃圾對象進行內(nèi)存清理，不同代可使用不同的收集器：

• 新生代收集器使用的收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge;
• 老年代收集器使用的收集器：Serial Old(MSC)、Parallel Old、CMS。

總結(jié)：

1. Serial old和新生代的所有回收器都能搭配;也可以作為CMS回收器的備用回收器;
2. CMS只能和新生代的Serial和ParNew搭配，而且ParNew是CMS默認的新生代回收器;
3. 并行(Parallel)：指多條垃圾收集線程并行工作，但此時用戶線程仍然處于等待狀態(tài)
4. 并發(fā)(Concurrent)：指用戶線程和垃圾收集線程同時執(zhí)行(但不一定是并行的，可能是交替執(zhí)行)，用戶程序繼續(xù)運行，而垃圾收集程序運行在另外的CPU上。

三. GC的執(zhí)行機制

Java 中的堆(deap) 也是 GC 收集垃圾的主要區(qū)域。由于對象進行了分代處理，因此垃圾回收區(qū)域、時間也不一樣。GC有兩種類型：Scavenge GC(Minor GC)和Full GC(Major GC)：

• Scavenge GC(Minor GC): 一般情況下，當新對象生成(age=0)，并且在Eden申請空間失敗時，就會觸發(fā)Scavenge GC，對Eden區(qū)域進行GC，清除非存活對象，并且把尚且存活的對象移動到Survivor區(qū)(age+1)。然后整理(其實是復(fù)制過去就順便整理了)Survivor的兩個區(qū)。這種方式的GC是對年輕代的Eden區(qū)進行，不會影響到年老代。因為大部分對象都是從Eden區(qū)開始的，同時Eden區(qū)不會分配的很大，所以Eden區(qū)的GC會頻繁進行。因而，一般在這里需要使用速度快、效率高的算法(即復(fù)制-清理算法)，使Eden去能盡快空閑出來。Java 中的大部分對象通常不需長久存活，具有朝生夕滅的性質(zhì)。
• Full GC:對整個堆進行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC因為需要對整個對進行回收，所以比Scavenge GC要慢，因此應(yīng)該盡可能減少Full GC的次數(shù)。在對JVM調(diào)優(yōu)的過程中，很大一部分工作就是對于FullGC的調(diào)節(jié)。

3.1 觸發(fā)Full GC執(zhí)行的場景

 

3.2 Young GC觸發(fā)條件

 

3.3 新生對象GC收回流程

基于大多數(shù)新生對象都會在GC中被收回的假設(shè)。新生代的GC 使用復(fù)制算法，(將年輕代分為3部分，主要是為了生命周期短的對象盡量留在年輕代。老年代主要存放生命周期比較長的對象，比如緩存)?？赡芙?jīng)歷過程：

1. 對象創(chuàng)建時，一般在Eden區(qū)完成內(nèi)存分配(有特殊);
2. 當Eden區(qū)滿了，再創(chuàng)建對象，會因為申請不到空間，觸發(fā)minorGC，進行young(eden+1survivor)區(qū)的垃圾回收;
3. minorGC時，Eden和survivor A不能被GC回收且年齡沒有達到閾值(tenuring threshold)的對象，會被放入survivor B，始終保證一個survivor是空的;
4. 當做第3步的時候，如果發(fā)現(xiàn)survivor滿了，將這些對象copy到old區(qū)(分配擔保機制);或者survivor并沒有滿，但是有些對象已經(jīng)足夠Old，也被放入Old區(qū) XX:MaxTenuringThreshold;(回顧下對象進入老年代的情況)
5. 直接清空eden和survivor A;
6. 當Old區(qū)被放滿的之后，進行fullGC。

3.4 GC日志

GC日志相關(guān)參數(shù):

• -XX:+PrintGC：輸出GC日志
• -XX:+PrintGCDetails：輸出GC的詳細日志
• -XX:+PrintGCTimeStamps：輸出GC的時間戳(以基準時間的形式)
• -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime：打印垃圾回收期間程序暫停的時間
• -XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime：打印每次垃圾回收前，程序未中斷的執(zhí)行時間
• -XX:+PrintHeapAtGC：在進行GC的前后打印出堆的信息
• -XX:+PrintTLAB：查看TLAB空間的使用情況
• -XX:PrintTenuingDistribution：查看每次minor GC后新的存活周期的閾值
• -XX:PrintReferenceFC：用來跟蹤系統(tǒng)內(nèi)的(softReference)軟引用，(weadReference)弱引用,(phantomReference)虛引用，顯示引用過程

案例分析：

-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime -XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime一起使用

Application time: 0.3440086 seconds Total time for which application threads were stopped: 0.0620105 seconds Application time: 0.2100691 seconds Total time for which application threads were stopped: 0.0890223 seconds

得知應(yīng)用程序在前344毫秒中是在處理實際工作的，然后將所有線程暫停了62毫秒，緊接著又工作了210ms，然后又暫停了89ms。

2796146K->2049K(1784832K)] 4171400K->2049K(3171840K), [Metaspace: 3134K->3134K(1056768K)], 0.0571841 secs] [Times: user=0.02 sys=0.04, real=0.06 secs]Total time for which application threads were stopped: 0.0572646 seconds, Stopping threads took: 0.0000088 seconds

應(yīng)用線程被強制暫停了57ms來進行垃圾回收。其中又有8ms是用來等待所有的應(yīng)用線程都到達安全點。

只要設(shè)置-XX:+PrintGCDetails 就會自動帶上-verbose:gc和-XX:+PrintGC

33.125: [GC [DefNew: 3324K->152K(3712K), 0.0025925 secs] 3324K->152K(11904K), 0.0031680 secs]100.667: [Full GC [Tenured: 0K->210K(10240K), 0.0149142 secs] 4603K->210K(19456K), [Perm : 2999K->2999K(21248K)], 0.0150007 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.02 secs]

1. 最前面的數(shù)字“33.125：”和“100.667：”代表了GC發(fā)生的時間，這個數(shù)字的含義是從Java虛擬機啟動以來經(jīng)過的秒數(shù)。
2. GC日志開頭的“[GC”和“[Full GC”說明了這次垃圾收集的停頓類型，而不是用來區(qū)分新生代GC還是老年代GC的。如果有“Full”，說明這次GC是發(fā)生了Stop-The-World的。
3. 接下來的“[DefNew”、“[Tenured”、“[Perm”表示GC發(fā)生的區(qū)域，這里顯示的區(qū)域名稱與使用的GC收集器是密切相關(guān)的，例如上面樣例所使用的Serial收集器中的新生代名為“Default New Generation”，所以顯示的是“[DefNew”。如果是ParNew收集器，新生代名稱就會變?yōu)椤癧ParNew”，意為“Parallel New Generation”。如果采用Parallel Scavenge收集器，那它配套的新生代稱為“PSYoungGen”，老年代和永久代同理，名稱也是由收集器決定的。
4. 后面方括號內(nèi)部的“3324K->152K(3712K)”含義是“GC前該內(nèi)存區(qū)域已使用容量-> GC后該內(nèi)存區(qū)域已使用容量 (該內(nèi)存區(qū)域總?cè)萘?”。而在方括號之外的“3324K->152K(11904K)”表示“GC前Java堆已使用容量 -> GC后Java堆已使用容量 (Java堆總?cè)萘?”。
5. 再往后，“0.0025925 secs”表示該內(nèi)存區(qū)域GC所占用的時間，單位是秒。有的收集器會給出更具體的時間數(shù)據(jù)
6. [Full GC 283.736: [ParNew: 261599K->261599K(261952K), 0.0000288 secs] 新生代收集器ParNew的日志也會出現(xiàn)“[Full GC”(這一般是因為出現(xiàn)了分配擔保失敗之類的問題，所以才導(dǎo)致STW)。如果是調(diào)用System.gc()方法所觸發(fā)的收集，那么在這里將顯示“[Full GC (System)”。

3.5 減少GC開銷的措施

從代碼上：

 

從JVM參數(shù)上調(diào)優(yōu)上：

 

3.6 內(nèi)存溢出分類

 

四. 總結(jié)-JVM調(diào)優(yōu)相關(guān)

4.1 調(diào)優(yōu)目的

 

4.2 JVM性能調(diào)優(yōu)所處的層次

 

4.3 JVM調(diào)優(yōu)流程

 

4.4 性能監(jiān)控工具

 

調(diào)優(yōu)的最終目的都是為了令應(yīng)用程序使用最小的硬件消耗來承載更大的吞吐。jvm的調(diào)優(yōu)也不例外，jvm調(diào)優(yōu)主要是針對垃圾收集器的收集性能優(yōu)化，令運行在虛擬機上的應(yīng)用能夠使用更少的內(nèi)存以及延遲獲取更大的吞吐量。

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