Java虚拟机JVM知识和面试考点01

简介

Java虚拟机（Java Virtual Machine，JVM）是Java平台的核心组成部分之一，它是一个在计算机上运行Java字节码的虚拟机。JVM充当了Java应用程序和底层操作系统之间的中间层，提供了跨平台的特性，使得Java程序可以在不同的操作系统和硬件上运行。
注意：JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。

这第一篇文章我们描述JVM的主要结构及面试常考点，第二篇主要描述JVM的垃圾回收相关。

JVM结构

结构简介

• 方法区：存储已被虚拟机加载的类元数据信息(元空间)
• 堆：存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存
• 虚拟机栈：虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型，每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息
• 程序计数器：当前线程所执行的字节码的行号指示器
• 本地方法栈：本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

类加载器ClassLoader

类加载器负责加载class文件，class文件在文件开头有特定的文件标示，并且ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。

类加载器的种类

类加载器分为四种：前三种为虚拟机自带的加载器。

• 启动类加载器（Bootstrap）负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C 实现，不是ClassLoader子类
• 扩展类加载器（Extension）负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括、$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包，由Java实现的。
• 应用程序类加载器（AppClassLoader）Java 也叫系统类加载器，负责加载classpath中指定的jar包及目录中class
• 用户自定义加载器 Java.lang.ClassLoader的子类，用户可以定制类的加载方式

类加载器工作过程

• 1、当AppClassLoader加载一个class时，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给父类加载器ExtClassLoader去完成。
• 2当ExtClassLoader加载一个class时，它首先也不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给BootStrapClassLoader去完成。
• 3、如果BootStrapClassLoader加载失败（例如在$JAVA_HOME/jre/lib里未查找到该class），会使用ExtClassLoader来尝试加载；
• 4若ExtClassLoader也加载失败，则会使用AppClassLoader来加载
• 5、如果AppClassLoader也加载失败，则会报出异常ClassNotFoundException

其实这就是所谓的双亲委派模型。简单来说：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上。示例图如下：

好处：防止内存中出现多份同样的字节码(安全性角度)，可以保证jdk的稳定性和安全性。

执行引擎Execution Engine

Execution Engine执行引擎负责解释命令，提交操作系统执行（把字节码解析成具体指令并提交操作系统执行）。

本地方法接口

调用系统类库的一些接口

运行时数据区

方法区（线程共享的）

• 线程共享的
• 保存方法信息、常量、接口信息等
• jdk1.7之前：使用永久代实现了方法区，常量池就在永久代
• jdk1.7 逐步去永久代，常量池在堆中
• jdk1.8 没有永久代，使用元空间实现了方法区，常量池就在元空间

堆（线程共享的）

Heap 堆：一个JVM实例只存在一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后，需要把类、方法、常变量放到堆内存中，保存所有引用类型的真实信息，以方便执行器执行，堆内存逻辑上分为三部分：

• Young Generation Space 新生区 Young/New
• Tenure generation space 养老区 Old/Tenure
• Permanent Space 永久区 Perm

也称为：新生代（年轻代）、老年代、永久代（持久代）。 其中JVM堆分为新生代和老年代

新生区/代（年轻代）

新生区是对象的诞生、成长、消亡的区域，一个对象在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。新生区又分为两部分： 伊甸区（Eden space）和幸存者区（Survivor pace） ，所有的对象都是在伊甸区被new出来的。幸存区有两个： 0区（Survivor 0 space）和1区（Survivor 1 space）。当伊甸园的空间用完时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收(Minor GC)，将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存 0区。若幸存 0区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到 1 区。那如果1 区也满了呢？再次垃圾回收，满足条件后再移动到养老区。若养老区也满了，那么这个时候将产生MajorGC（FullGC） ，进行养老区的内存清理。若养老区执行了Full GC之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常“OutOfMemoryError”。

如果出现java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space异常，说明Java虚拟机的堆内存不够。原因有二：

（1）Java虚拟机的堆内存设置不够，可以通过参数-Xms、-Xmx来调整。

（2）代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）。

总结：
eden（新创建对象） from（幸存对象） to（总是空的），会发送minorGC/YoungGC。

1. 项目启动时：eden from to都是空的。
2. 项目在处理请求的过程中，会反复创建对象，这些对象会保存在eden。
3. eden如果满了，再去创建对象，此时就会引发minorGC，会把幸存对象保存在from，再去清空eden。
4. 接下来又会向eden中反复创建对象，eden满了，如果还要创建对象，就会引发minorGC(eden 和 from)把幸存对象保存到to中清空eden和from，最后from和to会交换位置。
5. 反复执行第4步。
6. 经过15次GC（默认）依然存活的对象会移到养老区。

养老区（老年代）

• 整个堆中最大的一块区域，存放两类对象：15GC依然存活的对象或者大对象。
• FullGC、MajorGC：每次majarGC会伴随着一次minorGC。两次MajarGC之后依然无法保存新创建的对象，就会触发OOM：java heap space原因：堆内存太小（-Xms -Xmx） 在程序中创建了大量的大对象。
• 老年代的对象比较稳定，不会频繁的GC

永久区（永久代，Non-Heap非堆）

永久存储区是一个常驻内存区域，用于存放JDK自身所携带的 Class,Interface 的元数据，也就是说它存储的是运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭 JVM 才会释放此区域所占用的内存。

• 就是方法区，存放方法 类 接口 常量信息，可能发生OOM：permgen space OOM原因：

1. 引入了大量的第三方jar包，或者项目本身太大
2. 永久代设置的太小了
3. 一个tomcat放入了多个项目
4. 程序中大量使用了反射

• JDK更新变化

1. Jdk1.6及之前： 有永久代，常量池1.6在方法区
2. Jdk1.7： 有永久代，但已经逐步“去永久代”，常量池1.7在堆
3. Jdk1.8及之后： 无永久代，常量池1.8在元空间(Metaspace)

实际而言，方法区（Method Area）和堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储虚拟机加载的：类信息 普通常量 静态常量 编译器编译后的代码等等，虽然JVM规范将方法区描述为堆的一个逻辑部分，但它却还有一个别名叫做Non-Heap(非堆)，目的就是要和堆分开。

对于HotSpot虚拟机，很多开发者习惯将方法区称之为“永久代(Parmanent Gen)” ，但严格本质上说两者不同，或者说使用永久代来实现方法区而已，永久代是方法区(相当于是一个接口interface)的一个实现，jdk1.7的版本中，已经将原本放在永久代的字符串常量池移走。

常量池（Constant Pool）是方法区的一部分，Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息就是常量池，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

jvm栈(线程私有的)

栈也叫栈内存，主管Java程序的运行，是在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就Over，生命周期和线程一致，是线程私有的。8种基本类型的变量 对象的引用变量 实例方法都是在函数的栈内存中分配。(第二篇讲JVM垃圾回收机制) 栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在，栈帧是一个内存区块，是一个数据集，是一个有关方法(Method)和运行期数据的数据集。

栈帧中主要保存3 类数据：

• 本地变量（Local Variables）：输入参数和输出参数以及方法内的变量（本地变量，8种基本数据的变量和对象的引用地址）。
• 栈操作（Operand Stack）：记录出栈、入栈的操作（出栈或者入栈信息）。
• 栈帧数据（Frame Data）：包括类文件、方法等等（方法的定义信息）。

遵循“先进后出”或者“后进先出”原则。

不会产生OOM，产生StackOverflowError，在递归调用时，可能产生内存溢出

PC寄存器(线程私有的)

• 本质就是一个指针，指向该线程将要执行的方法区中的下一行指令。大小几乎可以忽略不计
• 指向当前线程将要执行的方法区中的代码指令

本地方法栈

保存native类型方法的一块区域

JVM参数调优

常用JVM参数

• -Xmn 新生代大小
• -Xms 初始堆大小
• -Xmx 最大扩展的堆大小
• -XX: PrintGCDetails 输出堆及GC的具体信息

调优工具

• eclipse中的MAT插件
• idea或者命令行使用jdk自带工具 jdk/bin/jvisualvm.exe

举例idea分析dump文件

1. 修改程序启动参数为：-Xmx10m -Xms5m -XX: HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=D:\test
   -XX:HeapDumpPath：生成dump文件路径。(一定要存在)
2. 编写测试程序

3. 会生成hprof文件

4. jdk自带了该类型文件的解读工具：jvisualvm.exe（在jdk的bin目录下）

5. 双击打开

6. 导入生成的hprof文件(注意后缀)

调优指令

• jps -l查看正在运行的java进程
• jinfo -flags 进程号 查看当前java进程的jvm参数
• jstat -gc 进程号 查看GC统计信息

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