聊到JVM(还怕面试官问JVM吗?)

2020/11/27 12:00
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   你的关注意义重大!


前言 
无论什么级别的Java从业者, JVM都是进阶时必须迈过的坎。不管是工作还是面试中,JVM都是必考题。 如果不懂JVM的话,薪酬会非常吃亏(近70%的面试者挂在JVM上了)。

  • 请你谈谈你对JVM的理解?

  • JVM类加载器是怎么样的?有几种?

  • 什么是OOM,什么是StackOverFlowError? 怎么分析?

  • JVM常用调优参数有哪写?

  • GC有几种算法?分别是怎么执行的?

  • 你知道JProfiler吗,怎么分析Dump文件?


第一次看到这些真真实实的面试题的时候,我~



这都什么玩意???????
经过一段时间的研究!!接下来,我将以大白话从头到尾给大家讲讲 Java虚拟机 !!
不对的地方还请大家指正~

1、什么是JVM?在哪? 


JVM是Java Virtual Machine(Java虚拟机)的缩写,JVM是一种用于计算设备的规范,它是一个虚构出来的计算机,是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

百度的解释云里雾里,对于我们Java程序员,说白了就是:
  • JVM本质上是一个程序,它能识别.class 字节码文件(里面存放的是我们对.java编译后产生的二进制代码),并且能够解析它的指令,最终调用操作系统上的函数,完成我们想要的操作!


  • 关于Java语言的跨平台性,就是因为JVM,我们可以将其想象为一个抽象层,只要这个抽象层JVM正确执行了.class文件,就能运行在各种操作系统之上了!这就是一次编译,多次运行


对于JVM的位置
  • JVM是运行在操作系统之上的,它与硬件没有直接的交互






2、JVM、JRE、JDK 的关系 


JDK(Java Development Kit):Java开发工具包

JRE(Java Runtime Environment):Java运行环境

JDK = JRE + javac/java/jar 等指令工具

JRE = JVM + Java基本类库






3、JVM体系结构 

Java虚拟机主要分为五大模块:

    • 类装载器子系统

    • 运行时数据区

    • 执行引擎

    • 本地方法接口

    • 垃圾收集模块

    

    


  • 方法区是一种特殊的堆

  • 栈里面不会有垃圾,用完就弹出了,否则阻塞了main方法

  • 垃圾几乎都在堆里,所以JVM性能调优%99都针对于堆



4、三种JVM(了解) 


Sun公司  HotSpot (我们都用的这个)


BEA公司  JRockit
IBM公司  J9 VM

5、类加载器  


作用:加载 .Class 字节码文件

1、回顾new对象的过程

public class Student {
    //私有属性
    private String name;

    //构造方法
    public Student(String name) {
        this.name = name;
    }
}

类是模板、模板是抽象的;对象是具体的,是对抽象的实例化

//运行时,JVM将Test的信息放入方法区
public class Test{
    //main方法本身放入方法区
  public static void main(String[] args){
        //s1、s2、s3为不同对象
        Student s1 = new Student("zsr");  //引用放在栈里,具体的实例放在堆里
        Student s2 = new Student("gcc");
        Student s3 = new Student("BareTH");
        System.out.println(s1.hashCode());
        System.out.println(s2.hashCode());
        System.out.println(s3.hashCode());
        //class1、class2、class3为同一个对象
        Class<? extends Student> class1 = s1.getClass();
        Class<? extends Student> class2 = s2.getClass();
        Class<? extends Student> class3 = s3.getClass();
        System.out.println(class1.hashCode());
        System.out.println(class2.hashCode());
        System.out.println(class3.hashCode());
    }
}
根据结果,我们发现:

    • s1、s2、s3的hashcode是不同的,因为是三个不同的对象,对象是具体的



    • class1、class2、class3的hashcode是相同的,因为这是类模板,模板是抽象的

    

我们画图分析以下 new一个对象的流程
  1. 首先Class Loader读取字节码.class文件,加载初始化生成Student模板类


  2. 通过Student模板类new出三个对象



那么Class Loader具体是怎么执行我们的.class字节码文件呢,这就引出了我们类加载器~


2、类加载器的类别

我们编写这样一个程序



根据返回结果,我们来讲解以下三种加载器:

级别从高到底

1.启动类(根)加载器:BootstrapClassLoader
    1. c++编写,加载java核心库 java.*,构造拓展类加载器应用程序加载器

    2. 根加载器加载拓展类加载器,并且将拓展类加载器的父加载器设置为根加载器

    3. 然后再加载应用程序加载器,应将应用程序加载器的父加载器设置为拓展类加载器

    4. 由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节,我们无法直接获取到启动类加载器的引用;这就是上面那个程序我们第三个结果为null的原因。

    5. 加载文件存在位置



    
2. 拓展类加载器:PlatformClassLoader
    1. java编写,加载扩展库,开发者可以直接使用标准扩展类加载器。

    2. java9之前为ExtClassloader,Java9以后改名为PlatformClassLoader

    3.     加载文件存在位置




3.应用程序加载器:AppClassLoader
            1 . java 编写,加载程序所在的目录
    

        2. 是Java默认的类加载器


4.用户自定义类加载器:CustomClassLoader
            1 . java 编写,用户自定义的类加载器,可加载指定路径的 class 文件


6、双亲委派机制 

1、什么是双亲委派机制

    • 类加载器收到类加载的请求


    • 将这个请求向上委托给父类加载器去完成,一直向上委托,直到根加载器BootstrapClassLoader


    • 根加载器检查是否能够加载当前类,能加载就结束,使用当前的加载器;否则就抛出异常,通知子加载器进行加载;自加载器重复该步骤。

    

2、作用

举个例子:我们重写以下java.lang包下的String类



发现报错了,这就是 双亲委派机制 起的作用,当类加载器委托到 根加载器 的时候, String类 已经被 根加载器 加载过一遍了,所以不会再加载,从一定程度上防止了危险代码的植入!!


作用总结
    1.  防止重复加载同一个 .class 。通过不断委托父加载器直到根加载器,如果父加载器加载过了,就不用再加载一遍。保证数据安全。


    2. 保证系统核心.class,如上述的String类不能被篡改。通过委托方式,不会去篡改核心.class,即使篡改也不会去加载,即使加载也不会是同一个.class对象了。不同的加载器加载同一个.class也不是同一个class对象。这样保证了class执行安全。


    

7、沙箱安全机制 

这里引用了这篇博文引用链接,了解即

什么是沙箱?

Java安全模型的核心就是Java沙箱(sandbox)


    1. 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,系统资源包括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。

java中的安全模型演进

在Java中将执行程序分成 本地代码 远程代码 两种
  • 本地代码可信任,可以访问一切本地资源。

  • 远程代码不可信信在早期的Java实现中,安全依赖于沙箱 (Sandbox) 机制。

如下图所示



如此严格的安全机制也给程序的功能扩展带来障碍,比如当用户希望远程代码访问本地系统的文件时候,就无法实现。
因此在后续的  Java1.1  版本中,针对安全机制做了改进,增加了 安全策略 ,允许用户指定代码对本地资源的访问权限。
如下图所示
Java1.2 版本中,再次改进了安全机制,增加了 代码签名
  • 不论本地代码或是远程代码,都会按照用户的安全策略设定,由类加载器加载到虚拟机中权限不同的运行空间,来实现差异化的代码执行权限控制。

如下图所示


当前最新的安全机制实现,则引入了 域 (Domain)  的概念。
  • 虚拟机会把所有代码加载到不同的系统域应用域

  • 系统域部分专门负责与关键资源进行交互

  • 应用域部分则通过系统域的部分代理来对各种需要的资源进行访问。

  • 虚拟机中不同的受保护域 (Protected Domain),对应不一样的权限 (Permission)。存在于不同域中的类文件就具有了当前域的全部权限,如下图所示

组成沙箱的基本组件

1. 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(如上述java.lang.String)。

2. 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:


    1. 安全提供者

    2. 消息摘要

    3. 数字签名

    4. 加密

    5. 鉴别


8、Native本地方法接口 

JNI:Java Native Interface

本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用,它的初衷是融合C/C++程序


native :凡是带native关键字的,说明java的作用范围达不到了,会去调用底层c语言的库!进入本地方法栈,调用 本地方法接口JNI ,拓展Java的使用,融合不同的语言为Java所用
    • Java诞生的时候C、C++横行,为了立足,必须要能调用C、C++的程序


    • 于是在内存区域中专门开辟了一块标记区域:Native Method Stack,登记Native方法


    • 最终在执行引擎执行的的时候通过JNI(本地方法接口)加载本地方法库的方法


目前该方法使用的越来越少了,除非是与硬件有关的应用,比如通过Java程序驱动打印机或者Java系统管理生产设备,在企业级应用中已经比较少见。因为现在的异构领域间通信很发达,比如可以使用 Socket通信,也可以使用 Web service等等,了解即可!


9、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




10、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


  • 方法区与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域,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。虽然Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫做Non-Heap(非堆),目的应该是与Java 堆区分开来。



1. 方法区中有啥?

  1. 静态变量(static)

  2. 常量(final)

  3. 类信息(构造方法、接口定义)

  4. 运行时的常量池


2. 创建对象内存分析



  • 创建一个对象时,方法区中会生成对应类的抽象模板;还有对应的常量池、静态变量、类信息、常量


  • 我们通过类模板去new对象的时候


    • 堆中存放实例对象

    • 栈中存放对象的引用,每个对象对应一个地址指向堆中相同地址的实例对象


例如这个例子中,生成了对应的Person模板类,name常量“zsr”放在常量池中,三个对象的引用放在栈中,该引用指向放在堆中的三个实例对象。
这就是堆、栈、方法区的交互关系

11、栈  

又称 栈内存 ,主管程序的运行,生命周期和线程同步,线程结束,栈内存就释放了, 不存在垃圾回收
  • 栈:先进后出

  • 队列:先进先出(FIFO)

1、栈中存放啥?

  1. 8大基本类型

  2. 对象引用

  3. 实例的方法


2、栈运行原理

  • 栈表示Java方法执行的内存模型


  • 每调用一个方法就会为每个方法生成一个栈帧(Stack Frame),每个方法被调用和完成的过程,都对应一个栈帧从虚拟机栈上入栈和出栈的过程。


  • 程序正在执行的方法一定在栈的顶部





3、堆栈溢出StackOverflowError

举个例子

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        new Test().a();
    }

    public void a() {
        b();
    }

    public void b() {
        a();
    }
}


最开始,main()方法压入栈中,然后执行a(),a()压入栈中;再调用b(),b()压入栈中;以此往复,a与b方法不断被压入栈中,最终导致栈溢出




12、堆  

Heap,一个JVM只有一个堆内存(栈是线程级的),堆内存的大小是可以调节的



1、堆中有啥?

实例化的对象

2、堆内存详解


1、Young 年轻代

对象诞生、成长甚至死亡的区

  • Eden Space(伊甸园区):所有的对象都是在此new出来的

  • Survivor Space(幸存区)

    • 幸存0区From Space)(动态的,From和To会互相交换)

    • 幸存1区To Space


Eden区占大容量,Survivor两个区占小容量,默认比例是8:1:1


2、Tenured 老年代

3、Perm 元空间

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!关闭虚拟机就会释放这个区域内存!

这个区域常驻内存,用来存放JDK自身携带的Class对象、Interface元数据。

名称演变
  • jdk1.6之前:永久代

  • jdk1.7:永久代慢慢退化,去永久代

  • jdk1.8之后:永久代改名为元空间

注意:元空间在逻辑上存在,在物理上不存在
新生代 + 老年代的内存空间 = JVM分配的总内存
如图所示:


3、什么是OOM?

内存溢出java.lang.OutOfMemoryError

产生原因
  1. 分配的太少

  2. 用的太多

  3. 用完没释放

4、GC垃圾回收

GC垃圾回收,主要在年轻代和老年代

首先,对象出生再 伊甸园区
  • 假设伊甸园区只能存一定数量的对象,则每当存满时就会触发一次轻GC(Minor GC)


  • 轻GC清理后,有的对象可能还存在引用,就活下来了,活下来的对象就进入幸存区;有的对象没用了,就被GC清理掉了;每次轻GC都会使得伊甸园区为空



  • 如果幸存区伊甸园都满了,则会进入老年代,如果老年代满了,就会触发一次重GC(FullGC)年轻代+老年代的对象都会清理一次,活下的对象就进入老年代


  • 如果新生代老年代都满了,则OOM


Minor GC:伊甸园区满时触发;从年轻代回收内存
Full GC:老年代满时触发;清理整个堆空间,包含年轻代和老年代
Major GC:清理老年代

什么情况永久区会崩?
一个启动类加载了大量的第三方Jar包,Tomcat部署了过多应用,或者大量动态生成的反射类
这些东西不断的被加载,直到内存满,就会出现 OOM

13、堆内存调优 

1、查看并设置JVM堆内存

查看我们jvm的 堆内存

public class Test {
    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();
        //默认情况下:分配的总内存为电脑内存的1/4,初始化内存为电脑内存的1/64
        System.out.println("max=" + max / (double) 1024 / 1024 / 1024 + "G");
        System.out.println("total=" + total / (double) 1024 / 1024 / 1024 + "G");
    }
}



默认情况下
  • JVM最大分配内存为电脑内存的1/4

  • JVM初始化内存为电脑内存的1/64

我们可以手动调堆内存大小


VM options 中可以指定 jvm试图使用的最大内存 jvm初始化内存 大小
  
  
-Xms1024m -Xmx1024m -Xlog:gc*


  • -Xmx用来设置jvm试图使用的最大内存,默认为1/4

  • -Xms用来设置jvm初始化内存,默认为1/64

  • -Xlog:gc*用来打印GC垃圾回收信息




2、怎么排除OOM错误?

1. 尝试扩大堆内存看结果

利用上述方法指定jvm试图使用的最大内存jvm初始化内存大小

2. 利用内存快照工具JProfiler

内存快照工具
  • MAT(Eclipse)

  • JProfiler

作用:
  • 分析Dump内存文件,快速定位内存泄漏

  • 获得堆中的文件

  • 获得大的对象

3. 什么是Dump文件?如何分析?

Dump文件是进程内存镜像,可以把程序的执行状态通过调试器保存到dump文件中

import java.util.ArrayList;

public class Test {
    byte[] array = new byte[1024 * 1024];//1M

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Test> list = new ArrayList<>();
        int count = 0;
        try {
            while (true) {
                list.add(new Test());
                count++;
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("count=" + count);
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行该程序,报错OOM


接下来我们设置以下堆内存,并附加生成对应的dump文件的指令


-Xms1m -Xmx8m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 表示当JVM发生OOM时,自动生成DUMP文件。

再次点击运行,下载了对应的Dump文件



我们右键该类,点击 Show in Explorer


一直点击上级目录,直到找到.hprof文件,与src同级目录下



我们双击打开,可以看到每块所占的大小,便于分析问题



点击Thread Dump,里面是所有的线程,点击对应的线程可以看到相应的错误,反馈到具体的行,便于排错



每次打开Dump文件查看完后,建议删除,可以在idea中看到,打开文件后生成了很多内容,占内存,建议删除



附:安装Jprofiler教程

1.idea中安装插件

2.下载客户端 https://www.ej-technologies.com/download/jprofiler/files



3.安装客户端
选择自定义安装,注意:路径不能有中文和空格


这里name和Company任意,License Key大家可以寻找对应版本的注册机获得



后续默认,安装成功即可!!!
4. 安装完成后,重启IDEA,可以看到我们的内存快照工具

 打开IDEA的设置,找到Tools里面的JProfiler,没有设置位置则设置位置

此时则全部安装完成!


14、GC垃圾回收 

1、回顾

Garbage Collection:垃圾回收



在12.4中,我们已经对GC的流程进行了大概的讲解,这里做一些总结
  • JVM在进行GC时,并不是对年轻代老年代统一回收;大部分时候,回收都是在年轻代

  • GC分为两种

    • 轻GC(清理年轻代)

    • 重GC(清理年轻代+老年代)

2、GC算法

1、引用计数算法(很少使用)

  • 每个对象在创建的时候,就给这个对象绑定一个计数器。

  • 每当有一个引用指向该对象时,计数器加一;每当有一个指向它的引用被删除时,计数器减一。

  • 这样,当没有引用指向该对象时,该对象死亡,计数器为0,这时就应该对这个对象进行垃圾回收操作。



2、复制算法

复制算法主要发生在 年轻代 (  幸存0区  和  幸存1区
  • 当Eden区满的时候,会触发轻GC,每触发一次,活的对象就被转移到幸存区,死的就被GC清理掉了,所以每触发轻GC时,Eden区就会清空;

  • 对象被转移到了幸存区,幸存区又分为From SpaceTo Space,这两块区域是动态交换的,谁是空的谁就是To Space,然后From Space就会把全部对象转移到To Space去;

  • 那如果两块区域都不为空呢?这就用到了复制算法,其中一个区域会将存活的对象转移到令一个区域去,然后将自己区域的内存空间清空,这样该区域为空,又成为了To Space

  • 所以每次触发轻GC后,Eden区清空,同时To区也清空了,所有的对象都在From区

这也就是幸存0区幸存1区总有一块为空的原因



好处:没有内存的碎片(内存集中在一块)
坏处
  1. 浪费了内存空间(浪费了幸存区一半空间)

  2. 对象存活率较高的场景下(比如老年代那样的环境),需要复制的东西太多,效率会下降。

最佳使用环境:对象存活度较低的时候,也就是 年轻代

3、标记–清除算法

为每个对象存储一个标记位,记录对象的生存状态
  1. 标记阶段:这个阶段内,为每个对象更新标记位,检查对象是否死亡;

  2. 清除阶段:该阶段对死亡的对象进行清除,执行 GC 操作。



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

4、标记–整理算法

标记-整理法  是  标记-清除法  的一个改进版。
又叫做  标记-清楚-压缩法
  1. 标记阶段,该算法也将所有对象标记为存活和死亡两种状态;

  2. 不同的是,在第二个阶段,该算法并没有直接对死亡的对象进行清理,而是将所有存活的对象整理一下,放到另一处空间,然后把剩下的所有对象全部清除。


可以进一步优化,在内存碎片不太多的情况下,就继续标记清除,到达一定量的时候再压缩.


总结

内存(时间复杂度)效率:复制算法 > 标记清除算法 > 标记压缩算法
内存整齐度:复制算法 = 标记压缩法 > 标记清除法
内存利用率:标记压缩法 = 标记清除法 > 复制算法

思考:有没有最优的算法?

没有最优的算法,只有最合适的算法
GC 也称为  分代收集算法
对于 年轻代
  • 对象存活率低

  • 用复制算法

对于 老年代
  • 区域大,对象存活率高

  • 标记清除+标记压缩混合实现



结束!


    

    作者: Baret H

    原文链接:http://i8n.cn/iWLG4r






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