JVM

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Java虚拟机

谈谈你对Java的理解

  • 平台无关性
  • GC
  • 语言特性
  • 面向对象
  • 类库
  • 异常处理

Java的平台无关性

  • （javap -c 对代码进行反编译，生成class文件里面的内容）

  • Java源代码首先被编译为字节码（.class），再由不同平台的JVM进行解析，Java语言在不同的平台上运行时不需要进行重新编译，Java虚拟机在执行字节码的时候，把字节码转换成具体平台上的机器指令。

为什么JVM不直接将源码解析为机器码：

  • 准备工作：每次工作都需要语法等检查
  • 兼容性：也可以将其他语言解析成字节码进行运行，兼容性强

JVM如何加载.class文件

Java虚拟机（在内存中）

  • Class Loader：依据特定格式，加载class文件到内存
  • Execution Engine（执行引擎）：对命令进行解析
  • Native Interface（本地库接口）：融合不同开发语言的原生库为Java所用
  • Runtime Data Area（运行时数据区）：JVM内存空间结构模型

注：运行时常量池在JDK1.7由方法去转移进堆中。

JVM内存图

图片来源：《深入理解Java虚拟机（第二版）》

Java内存模型（Java Memory Model）（重要）

  • 程序计数器
    • 线程私有
    • 当前线程所执行的字节码行号指示器
    • 改变计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令
    • 如果执行Native方法，计数器的值为Undefined
    • 不会发生内存泄露
  • Java虚拟机栈
    • 线程私有
    • Java方法执行的内存模型
    • 包含多个栈帧
      • 局部变量表：用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量
      • 操作数栈：入栈、出栈、复制、交换、产生消费变量
      • 动态链接
      • 返回地址
  • 本地方法栈
    • 线程私有
    • 与虚拟机栈类似，主要作用于native方法
  • 元空间（MetaSpace）与永久代（PermGen）区别——均是方法区的实现
    • 元空间使用本地内存，永久代使用jvm内存
    • MetaSapce相比PermGen（已被去掉）的优势
      • 字符串常量池存在永久代中，容易出现性能问题和溢出
      • 类和方法的信息大小难以确定，给永久代的大小指定带来困难
      • 永久代会为GC带来不必要的复杂性
    • 方法区会记录类星系（方法表等）
  • Java堆（Heap）
    • 存放对象实例的分配区域
    • GC管理的主要区域

JVM三大性能调优参数 -Xss -Xmx -Xms含义

  • -Xss：规定了每个线程虚拟机栈（堆栈）的大小
  • -Xms：堆的初始值
  • -Xmx：堆能达到的最大值

Java内存模型中堆和栈的区别——内存分配策略

  • 静态存储：编译时确定每个数据目标在运行时的存储空间需求
  • 栈式存储：数据区需要在编译时位置，运行时模块入口前确定数据区大小
  • 堆式存储：编译时或运行时模块入口都无法确定，动态分配
  • 联系：引用对象、数组实，栈里定义变量保存堆中目标的首地址（保证栈式存储在运行时能确定大小，堆式存储可以动态分配内存）
  • 区别：
    • 管理方式：栈自动释放，堆需要GC
    • 空间大小：栈比堆小
    • 碎片相关：栈产生的碎片远小于堆
    • 分配方式：栈支持静态和动态分配，而堆仅支持动态分配
    • 效率：栈的效率比堆高

内存实例代码

内存实例2

图片来源：慕课网

不同JDK版本之间intern()方法的区别——JDK6 vs JDK6+

  • JDK6：当调用intern方法时，如果字符串常量池先前已创建出该字符串对象，则返回池中的该字符串的引用。否则，将此字符串对象添加到字符串常量池中，并且返回该字符串对象的引用。
  • JDK6+：当调用intern方法时，如果字符串常量池先前已创建出该字符串对象，则返回池中的该字符串的引用。否则，如果该字符串对象已经存在于Java堆中，则将堆中对此对象的引用添加到字符串常量池中，并且返回该引用；如果堆中不存在，则在池中创建该字符串并返回其引用。

类的加载方式

  • 隐式加载：new
  • 显示加载：loadClass，forName等（需要手动调用newInstance()方法）

类的装载过程

  • 加载：通过ClassLoader加载class文件字节码，生成Class对象
  • 链接：
    • 校验：检验加载的class的正确性和安全性
    • 准备：为类变量分配存储空间并设置类变量（static变量）初始值（各种形式的0）
    • 解析：JVM将常量池内的符号引用转换为直接引用
  • 初始化：执行类变量赋值和静态代码块

.class、loadClass和forName的区别

  • .class操作不进行加载
  • ClassLoader.loadClass得到的class是还没有链接的（只完成了加载）
  • Class.forName得到的class是已经完成初始化的

Java反射

Java反射机制是在运行状态中，对于任意一个类，都能够知道这个类的所有属性和方法；对于任意一个对象，都能够调用它的任意方法和属性；这种动态获取信息以及动态调用对象方法的功能称为Java的反射机制。

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public class Robot {
    private String name;
    public void sayHi(String helloSentence) {
        System.out.println(helloSentence + " " + name);
    }
    private String throwHello(String tag) {
        return "Hello " + tag;
    }
}
public vlass ReflectSample {
    public static void main(String args[]) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException, InvocationTargetException, NoSuchMethodException, NoSuchFieldException {
        Class rc = Class.forName("com.reflect.Robot");
        Robot r = (Robot) rc.newInstance();
        System.out.println("Class name is " + rc.getName());
        // r.sayHi("bob");	// 这种情况无法证明是反射
        Method getHello = rc.getDeclaredMethod("throwHello", String.class);	// 能获取该类的所有方法，但是不能获取继承/实现接口的方法
        getHello.setAccessible(true); // private -> true;
        Object str = getHello.invoke(r, "Bob");
        System.out.println("getHello result is " + str);
        Method sayHi = rc.getMethod("sayHi", String.class);	// 能获取该类的所有public方法，包括继承类的公用方法，接口方法。
        sayHi.invoke(r, "Welcome");	// syso:Welcome null;
        Field name = rc.getDeclaredField("name");	// "name"为成员变量名
        name.setAccessible(true);
        name.set(r, "Alice");
        sayHi.invoke(r, "Welcome");	// syso:Welcome Alice;
    }
}

类从编译到执行的过程

  • 编译器将.java源文件编译为.class字节码文件
  • ClassLoader将字节码转换为JVM中的Class对象
  • JVM再利用Class\<T>对象实例化为T对象

ClassLoader

  • ClassLoader主要工作在Class装载的加载阶段，其主要作用是从系统外部获得Class二进制数据流。
  • 它是Java的核心组件，所有的Class都是由ClassLoader进行加载的，ClassLoader负责通过将Class文件里的二进制数据流装载进系统，然后交给Java虚拟机进行连接、初始化等操作。

ClassLoader种类

  • BootStrapClassLoader（启动类加载器）：C++编写，加载核心库java.*
  • ExtClassLoader（扩展类加载器）：Java编写，加载扩展库javax.*
  • AppClassLoader（应用程序类加载器）：Java编写，加载程序所在目录
  • UserClassLoader（自定义类加载器）：Java编写，定制化加载

为什么要使用双亲委派模型

双亲实际上是一种对parents的翻译错误，实际上并没有“双”这个概念！

对于任意一个类，都需要有加载它的类加载器（ClassLoader）和这个类本身来一同确立其在Java虚拟机中的唯一性。

双亲委派：如果一个类加载器收到了加载某个类的请求,则该类加载器并不会去加载该类,而是把这个请求委派给父类加载器,每一个层次的类加载器都是如此,因此所有的类加载请求最终都会传送到顶端的启动类加载器;只有当父类加载器在其搜索范围内无法找到所需的类,并将该结果反馈给子类加载器,子类加载器会尝试去自己加载。

双亲委派模型

图片来源：【JVM】浅谈双亲委派和破坏双亲委派

一个符合规范的类加载器，应当仅覆写ClassLoader#findClass()，以支持自定义的类加载方式。

使用双亲委派模型的意义

  • 避免多份同样字节码的加载

  • Java类随着加载它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。比如，Java中的Object类，它存放在rt.jar之中,无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object在各种类加载环境中都是同一个类。如果不采用双亲委派模型，那么由各个类加载器自己取加载的话，那么系统中会存在多种不同的Object类。容易引发安全问题。

    作者：shuixingge

    链接：https://www.jianshu.com/p/6dbe64a333e7

    来源：简书

JVM调优

查找占用内存最大的进程：ps -ef | grep java 或者top 再按m获得占用内存最大的进程的pid

jmap -histo:live 25085 | head -20 查看前20个占用最大的对象

  • jps：JVM Process Status Tool,显示指定系统内所有的HotSpot虚拟机进程。-l : 输出主类全名或jar路径

  • jstat：JVM statistics Monitoring，是用于监视虚拟机运行时状态信息的命令，它可以显示出虚拟机进程中的类装载、内存、垃圾收集、JIT编译等运行数据。

  • jmap：Java堆和永久代的详细信息，如当前使用率、当前使用的是哪种收集器等。

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    >jmap -heap 14732
    Attaching to process ID 14732, please wait...
    Debugger attached successfully.
    Server compiler detected.
    JVM version is 25.151-b12

    using thread-local object allocation.
    Parallel GC with 4 thread(s)

    Heap Configuration:
       MinHeapFreeRatio         = 0
       MaxHeapFreeRatio         = 100
       MaxHeapSize              = 2124414976 (2026.0MB)
       NewSize                  = 44564480 (42.5MB)
       MaxNewSize               = 707788800 (675.0MB)
       OldSize                  = 89653248 (85.5MB)
       NewRatio                 = 2
       SurvivorRatio            = 8
       MetaspaceSize            = 21807104 (20.796875MB)
       CompressedClassSpaceSize = 1073741824 (1024.0MB)
       MaxMetaspaceSize         = 17592186044415 MB
       G1HeapRegionSize         = 0 (0.0MB)

    Heap Usage:
    PS Young Generation
    Eden Space:
       capacity = 34078720 (32.5MB)
       used     = 26630104 (25.396446228027344MB)
       free     = 7448616 (7.103553771972656MB)
       78.14291147085336% used
    From Space:
       capacity = 5242880 (5.0MB)
       used     = 0 (0.0MB)
       free     = 5242880 (5.0MB)
       0.0% used
    To Space:
       capacity = 5242880 (5.0MB)
       used     = 0 (0.0MB)
       free     = 5242880 (5.0MB)
       0.0% used
    PS Old Generation
       capacity = 89653248 (85.5MB)
       used     = 0 (0.0MB)
       free     = 89653248 (85.5MB)
       0.0% used

    5611 interned Strings occupying 466504 bytes.
    • jmap -histo | more：打印堆的对象统计，包括对象数、内存大小等等 （因为在dump:live前会进行full gc，如果带上live则只统计活对象，因此不加live的堆大小要大于加live堆的大小 ）
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