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JAVA虚拟机 JVM 详细分析 原理和优化(个人经验+网络搜集整理学习)

小海bug
 小海bug
发布于 06/14 23:12
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JVM是java实现跨平台的主要依赖就不具体解释它是什么了 ,简单说就是把java的代码转化为操作系统能识别的命令去执行,下面直接讲一下它的组成

Jvm Internal

1.ClassLoader(类加载器)

加载Class 文件到内存中

2.ClassArea(方法区)

在类装载器加载class文件到内存的过程中,虚拟机会提取其中的类型信息,并将这些信息存储到方法区。方法区用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。由于所有线程都共享方法区,因此它们对方法区数据的访问必须被设计为是线程安全的。

3.Heap(堆)

存储Java程序创建的类实例。所有线程共享,因此设计程序时也要考虑到多线程访问对象(堆数据)的同步问题。

4.Stack(栈)

Java栈是线程私有的。每当启动一个新线程时,Java虚拟机都会为它分配一个Java栈。Java栈以帧为单位保存线程的运行状态。虚拟机只会直接对Java栈执行两种操作:以帧为单位的压栈或出栈。当线程调用java方法时,虚拟机压入一个新的栈帧到该线程的java栈中。当方法返回时,这个栈帧被从java栈中弹出并抛弃。一个栈帧包含一个java方法的调用状态,它存储有局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。

 5.Program Counter Register(程序计数器)

一个运行中的Java程序,每当启动一个新线程时,都会为这个新线程创建一个自己的PC(程序计数器)寄存器。程序计数器的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。如果线程正在执行的是一个Java方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是Natvie方法,这个计数器值则为空(Undefined)。 

6.Native Method Stack(本地方法栈)

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。任何本地方法接口都会使用某种本地方法栈。当线程调用Java方法时,虚拟机会创建一个新的栈帧并压入Java栈。然而当它调用的是本地方法时,虚拟机会保持Java栈不变,不再在线程的Java栈中压入新的帧,虚拟机只是简单地动态链接并直接调用指定的本地方法。如果某个虚拟机实现的本地方法接口是使用C连接模型的话,那么它的本地方法栈就是C栈。

7.Execution Engine(执行引擎)

负责执行字节码。方法的字节码是由Java虚拟机的指令序列构成的。每一条指令包含一个单字节的操作码,后面跟随0个或多个操作数。执行引擎执行字节码时,首先取得一个操作码,如果操作码有操作数,取得它的操作数。它执行操作码和跟随的操作数规定的动作,然后再取得下一个操作码。这个执行字节码的过程在线程完成前将一直持续。

接下来分析一下,JVM的内存组成和优化

JVM内存模型:按照JVM规范,JAVA虚拟机在运行时会管理以下的内存区域:
程序计数器:当前线程执行的字节码的行号指示器,线程私有。
JAVA虚拟机栈:Java方法执行的内存模型,每个Java方法的执行对应着一个栈帧的进栈和出栈的操作。
本地方法栈:类似“ JAVA虚拟机栈 ”,但是为native方法的运行提供内存环境。
JAVA堆:对象内存分配的地方,内存垃圾回收的主要区域,所有线程共享。可分为新生代,老生代。
方法区:用于存储已经被JVM加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据,    Hotspot中的“永久代”。
运行时常量池:方法区的一部分,存储常量信息,如各种字面量、符号引用等。
直接内存:并不是JVM运行时数据区的一部分, 可直接访问的内存, 比如NIO会用到这部分。
按照JVM规范,除了程序计数器不会抛出OOM外,其他各个内存区域都可能会抛出OOM。

最常见的OOM情况有以下三种:
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space ------>java堆内存溢出,此种情况最常见,一般由于内存泄露或者堆的大小设置不当引起。对于内存泄露,需要通过内存监控软件查找程序中的泄露代码,而堆大小可以通过虚拟机参数-Xms,-Xmx等修改。
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space ------>java永久代溢出,即方法区溢出了,一般出现于大量Class或者jsp页面,或者采用cglib等反射机制的情况,因为上述情况会产生大量的Class信息存储于方法区。此种情况可以通过更改方法区的大小来解决,使用类似-XX:PermSize=64m -XX:MaxPermSize=256m的形式修改。另外,过多的常量尤其是字符串也会导致方法区溢出。
java.lang.StackOverflowError ------> JAVA虚拟机栈溢出,一般是由于程序中存在死循环或者深度递归调用造成的,栈大小设置太小也会出现此种溢出。可以通过虚拟机参数-Xss来设置栈的大小。

从最开始的图片能看出:动态内存分配的部分主要有堆和栈,其它部分内存变化并不大,着重说一下这两个。

栈内存:

线程私有,生命周期和线程相同,栈由一系列帧组成(因此Java栈也叫做帧栈),帧保存一个方法的局部变量、操作数栈、常量池指针,每一次方法调用创建一个帧,并压栈。

官方说法:

Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法被调用的时候都会创建一个栈帧,用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程就对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。

在Java虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常情况:

    (1)如果线程请求的栈深度太深,超出了虚拟机所允许的深度,就会出现StackOverFlowError(比如无限递归。因为每一层栈帧都占用一定空间,而 Xss 规定了栈的最大空间,超出这个值就会报错)

    (2)虚拟机栈可以动态扩展,如果扩展到无法申请足够的内存空间,会出现OOM

堆内存:

       JVM初始分配的内存由-Xms指定,默认是物理内存的1/64;JVM最大分配的内存由-Xmx指 定,默认是物理内存的1/4。默认空余堆内存小于40%时,JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制;空余堆内存大于70%时,JVM会减少堆直到 -Xms的最小限制。因此服务器一般设置-Xms、-Xmx相等以避免在每次GC 后调整堆的大小。对象的堆内存由称为垃圾回收器的自动内存管理系统回收。

    详细解释堆的组成

Heap = { Old + NEW = {Eden, from, to} },Old 即 年老代(Old Generation),New 即 年轻代(Young Generation)。年老代和年轻代的划分对垃圾收集影响比较大。

年轻代
所有新生成的对象首先都是放在年轻代。年轻代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象。年轻代一般分3个区,1个Eden区,2个Survivor区(from 和 to)。
大部分对象在Eden区中生成。当Eden区满时,还存活的对象将被复制到Survivor区(两个中的一个),当一个Survivor区满时,此区的存活对象将被复制到另外一个Survivor区,当另一个Survivor区也满了的时候,从前一个Survivor区复制过来的并且此时还存活的对象,将可能被复制到年老代。
2个Survivor区是对称的,没有先后关系,所以同一个Survivor区中可能同时存在从Eden区复制过来对象,和从另一个Survivor区复制过来的对象;而复制到年老区的只有从另一个Survivor区过来的对象。而且,因为需要交换的原因,Survivor区至少有一个是空的。特殊的情况下,根据程序需要,Survivor区是可以配置为多个的(多于2个),这样可以增加对象在年轻代中的存在时间,减少被放到年老代的可能。
针对年轻代的垃圾回收即 Young GC。
年老代
在年轻代中经历了N次(可配置)垃圾回收后仍然存活的对象,就会被复制到年老代中。因此,可以认为年老代中存放的都是一些生命周期较长的对象。
针对年老代的垃圾回收即 Full GC。

内存申请过程如下:
JVM会试图为相关Java对象在年轻代的Eden区中初始化一块内存区域(注:如果新生成的对象很大,占用连续内存则直接放在老年代)。
当Eden区空间足够时,内存申请结束。否则执行下一步。
JVM试图释放在Eden区中所有不活跃的对象(Young GC)。释放后若Eden空间仍然不足以放入新对象,JVM则试图将部分Eden区中活跃对象放入Survivor区。
Survivor区被用来作为Eden区及年老代的中间交换区域。当年老代空间足够时,Survivor区中存活了一定次数的对象会被移到年老代。
当年老代空间不够时,JVM会在年老代进行完全的垃圾回收(Full GC)。
Full GC后,若Survivor区及年老代仍然无法存放从Eden区复制过来的对象,则会导致JVM无法在Eden区为新生成的对象申请内存,即出现“Out of Memory”。

下面部分参数说明为网络搜集,出现错误请指出

参数说明
-Xmx3550m:设置JVM最大堆内存为3550M。
-Xms3550m:设置JVM初始堆内存为3550M。此值可以设置与-Xmx相同,以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。
-Xss128k:设置每个线程的栈大小。JDK5.0以后每个线程栈大小为1M,之前每个线程栈大小为256K。应当根据应用的线程所需内存大小进行调整。在相同物理内存下,减小这个值能生成更多的线程。但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的,不能无限生成,经验值在3000~5000左右。需要注意的是:当这个值被设置的较大(例如>2MB)时将会在很大程度上降低系统的性能。
-Xmn2g:设置年轻代大小为2G。在整个堆内存大小确定的情况下,增大年轻代将会减小年老代,反之亦然。此值关系到JVM垃圾回收,对系统性能影响较大,官方推荐配置为整个堆大小的3/8。
-XX:NewSize=1024m:设置年轻代初始值为1024M。
-XX:MaxNewSize=1024m:设置年轻代最大值为1024M。
-XX:PermSize=256m:设置持久代初始值为256M。
-XX:MaxPermSize=256m:设置持久代最大值为256M。
-XX:NewRatio=4:设置年轻代(包括1个Eden和2个Survivor区)与年老代的比值。表示年轻代比年老代为1:4。
-XX:SurvivorRatio=4:设置年轻代中Eden区与Survivor区的比值。表示2个Survivor区(JVM堆内存年轻代中默认有2个大小相等的Survivor区)与1个Eden区的比值为2:4,即1个Survivor区占整个年轻代大小的1/6。
-XX:MaxTenuringThreshold=7:表示一个对象如果在Survivor区(救助空间)移动了7次还没有被垃圾回收就进入年老代。如果设置为0的话,则年轻代对象不经过Survivor区,直接进入年老代,对于需要大量常驻内存的应用,这样做可以提高效率。如果将此值设置为一个较大值,则年轻代对象会在Survivor区进行多次复制,这样可以增加对象在年轻代存活时间,增加对象在年轻代被垃圾回收的概率,减少Full GC的频率,这样做可以在某种程度上提高服务稳定性。

部分参数优先级
-Xmn,-XX:NewSize/-XX:MaxNewSize,-XX:NewRatio 3组参数都可以影响年轻代的大小,混合使用的情况下,优先级是什么?
如下:
高优先级:-XX:NewSize/-XX:MaxNewSize 
中优先级:-Xmn(默认等效  -Xmn=-XX:NewSize=-XX:MaxNewSize=?) 
低优先级:-XX:NewRatio 
推荐使用-Xmn参数,原因是这个参数简洁,相当于一次设定 NewSize/MaxNewSIze,而且两者相等,适用于生产环境。-Xmn 配合 -Xms/-Xmx,即可将堆内存布局完成。
-Xmn参数是在JDK 1.4 开始支持。

垃圾回收器选择
JVM给出了3种选择:串行收集器、并行收集器、并发收集器。串行收集器只适用于小数据量的情况,所以生产环境的选择主要是并行收集器和并发收集器。
默认情况下JDK5.0以前都是使用串行收集器,如果想使用其他收集器需要在启动时加入相应参数。JDK5.0以后,JVM会根据当前系统配置进行智能判断。

串行收集器
-XX:+UseSerialGC:设置串行收集器。

并行收集器(吞吐量优先)
-XX:+UseParallelGC:设置为并行收集器。此配置仅对年轻代有效。即年轻代使用并行收集,而年老代仍使用串行收集。
-XX:ParallelGCThreads=20:配置并行收集器的线程数,即:同时有多少个线程一起进行垃圾回收。此值建议配置与CPU数目相等。
-XX:+UseParallelOldGC:配置年老代垃圾收集方式为并行收集。JDK6.0开始支持对年老代并行收集。
-XX:MaxGCPauseMillis=100:设置每次年轻代垃圾回收的最长时间(单位毫秒)。如果无法满足此时间,JVM会自动调整年轻代大小,以满足此时间。
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy:设置此选项后,并行收集器会自动调整年轻代Eden区大小和Survivor区大小的比例,以达成目标系统规定的最低响应时间或者收集频率等指标。此参数建议在使用并行收集器时,一直打开。

并发收集器(响应时间优先)
-XX:+UseConcMarkSweepGC:即CMS收集,设置年老代为并发收集。CMS收集是JDK1.4后期版本开始引入的新GC算法。它的主要适合场景是对响应时间的重要性需求大于对吞吐量的需求,能够承受垃圾回收线程和应用线程共享CPU资源,并且应用中存在比较多的长生命周期对象。CMS收集的目标是尽量减少应用的暂停时间,减少Full GC发生的几率,利用和应用程序线程并发的垃圾回收线程来标记清除年老代内存。
-XX:+UseParNewGC:设置年轻代为并发收集。可与CMS收集同时使用。JDK5.0以上,JVM会根据系统配置自行设置,所以无需再设置此参数。
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0:由于并发收集器不对内存空间进行压缩和整理,所以运行一段时间并行收集以后会产生内存碎片,内存使用效率降低。此参数设置运行0次Full GC后对内存空间进行压缩和整理,即每次Full GC后立刻开始压缩和整理内存。
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection:打开内存空间的压缩和整理,在Full GC后执行。可能会影响性能,但可以消除内存碎片。
-XX:+CMSIncrementalMode:设置为增量收集模式。一般适用于单CPU情况。
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70:表示年老代内存空间使用到70%时就开始执行CMS收集,以确保年老代有足够的空间接纳来自年轻代的对象,避免Full GC的发生。

其它垃圾回收参数
-XX:+ScavengeBeforeFullGC:年轻代GC优于Full GC执行。
-XX:-DisableExplicitGC:不响应 System.gc() 代码。
-XX:+UseThreadPriorities:启用本地线程优先级API。即使 java.lang.Thread.setPriority() 生效,不启用则无效。
-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=0:软引用对象在最后一次被访问后能存活0毫秒(JVM默认为1000毫秒)。
-XX:TargetSurvivorRatio=90:允许90%的Survivor区被占用(JVM默认为50%)。提高对于Survivor区的使用率。

辅助信息参数设置
-XX:-CITime:打印消耗在JIT编译的时间。
-XX:ErrorFile=./hs_err_pid.log:保存错误日志或数据到指定文件中。
-XX:HeapDumpPath=./java_pid.hprof:指定Dump堆内存时的路径。
-XX:-HeapDumpOnOutOfMemoryError:当首次遭遇内存溢出时Dump出此时的堆内存。
-XX:OnError=";":出现致命ERROR后运行自定义命令。
-XX:OnOutOfMemoryError=";":当首次遭遇内存溢出时执行自定义命令。
-XX:-PrintClassHistogram:按下 Ctrl+Break 后打印堆内存中类实例的柱状信息,同JDK的 jmap -histo 命令。
-XX:-PrintConcurrentLocks:按下 Ctrl+Break 后打印线程栈中并发锁的相关信息,同JDK的 jstack -l 命令。
-XX:-PrintCompilation:当一个方法被编译时打印相关信息。
-XX:-PrintGC:每次GC时打印相关信息。
-XX:-PrintGCDetails:每次GC时打印详细信息。
-XX:-PrintGCTimeStamps:打印每次GC的时间戳。
-XX:-TraceClassLoading:跟踪类的加载信息。
-XX:-TraceClassLoadingPreorder:跟踪被引用到的所有类的加载信息。
-XX:-TraceClassResolution:跟踪常量池。
-XX:-TraceClassUnloading:跟踪类的卸载信息。

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