JVM探究

拼搏现实的明天。 2023-10-02 18:28 31阅读 0赞

## JVM探究 ##

### 面试题 ###

*  请你谈谈你对JVM的理解？java8虚拟机和之前的变化更新？
 *  什么是OOM，什么是栈溢出StackOverFlowErro？怎么分析？
 *  JVM的常用调优参数有哪些？
 *  内存快照如何抓取，怎么分析Dump文件？
 *  谈谈JVM中，类加载器你的认识？

### 一、JVM的位置 ###

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传上传(imxBgNWVdua0-1647572127619)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1646878336744.png)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1646878336744.png)\]][imxBgNWVdua0-1647572127619_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1646878336744.png_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1646878336744.png]

### 二、JVM的体系结构 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA6ZSm6bKk6aOe5LiK5aSp_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

### 三、类加载器 ###

作用：加载Class文件  
![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-EY5BCvR8-1647572127621)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1646896900541.png)\]][img-EY5BCvR8-1647572127621_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1646896900541.png]

加载器：

1.虚拟机自带的加载器

2.启动类（根）加载器

3.扩展类加载器

4.应用程序加载器

### 四、双亲委派机制 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA6ZSm6bKk6aOe5LiK5aSp_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]  
 //双亲委派机制:安全  
 // 1. APP–>EXC—B0OT(最终执行)  
 // B0OT  
 // EXC  
 // APP  
 1.类加载器收到类加载的请求  
 2.将这个请求向上委托给父类加载器去完成，一 直向上委托，知道启动类加载器  
 3.启动加载器检查是否能够加载当前这个类，能加载就结束， 使用当前的加载器，否则， 抛出异常，通知子加载器进行加载  
 4.重复步骤3  
 Class Not Found异常就是这么来的  
 Java早期的名字：C+±-  
 Java = C++:去掉繁琐的东西，指针，内存管理~

### 五、沙箱安全机制 ###

Java安全模型的核心就是Java沙箱(sandbox) ,  
 什么是沙箱?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，那系统资源包括什么? 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。  
 在Java中将执行程序分成本地代码和远程代码两种，本地代码默认视为可信任的，而远程代码则被看作是不受信的。对于授信的本地代码,可以访问一切本地资源。而对于非授信的远程代码在早期的Java实现中，安全依赖于沙箱Sandbox)机制。如下图所示JDK1.0安全模型  
   
![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wryKMNNA-1647572127623)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1646900036255.png)\]][img-wryKMNNA-1647572127623_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1646900036255.png]  
图 JDK1.0安全模型

但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JDK1.1安全模型

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA6ZSm6bKk6aOe5LiK5aSp_size_17_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]  
图 JDK1.1安全模型

在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

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-QP8FcZMq-1647572127625)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1646900124649.png)\]][img-QP8FcZMq-1647572127625_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1646900124649.png]

图 JDK1.2安全模型

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和应用域,系统域部分专门负责与关键资源进行交互，而各个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，如下图所示最新的安全模型(jdk 1.6)

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Yzg7WvMJ-1647572127625)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1646900147766.png)\]][img-Yzg7WvMJ-1647572127625_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1646900147766.png]  
图 JDK1.6安全模型

#### **组成沙箱的基本组件** ####

●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。  
●类裝载器(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:  
  安全提供者  
  消息摘要  
  数字签名  
  加密  
  鉴别

### 六、Native ###

//native :凡是带了native关键字的，说明java的作用范围达不到了，回去调用底层c语言的库!
        // 会进入本地方法栈
        // 调用本地方法本地接口 JNI (Java Native Interface)
        // JNI作用:开拓Java的使用，融合不同的编程语言为Java所用!最初: C、C++
        // Java诞生的时候C、C++横行，想要立足，必须要有调用C、C++的程序
        // 它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
        // 在最终执行的时候，加载本地方法库中的方法通过JNI
        // 例如：Java程序驱动打印机，管理系统，掌握即可，在企业级应用比较少
        	private native void start0();

#### Native Method Stack ####

它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在( Execution Engine )执行引擎执行的时候加载Native Libraies。\[本地库\]

#### Native Interface本地接口 ####

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, Java在诞生的时候是C/C++横行的时候，想要立足，必须有调用C、C++的程序，于是就在内存中专门开辟了块区域处理标记为native的代码，它的具体做法是在Native Method Stack 中登记native方法,在( Execution Engine )执行引擎执行的时候加载Native Libraies。  
 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，不多做介绍!

### 七、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 。

### 八、方法区 ###

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;  
 静态变量、常量、类信息(构造方法、接口定义)、运行时的常量池存在方法区中，但是实例变量存在堆内存中，和方法区无关

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA6ZSm6bKk6aOe5LiK5aSp_size_18_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

图 类实例化后

### 九、栈 ###

栈是一种数据结构

栈：先进后出，后进先出

队列:先进先出( FIFO : First Input First Output )

栈:**栈内存,主管程序的运行,生命周期和线程同步**;**线程结束，栈内存也就是释放,对于栈来说,不存在垃圾回收问题**一旦线程结束，栈就Over!

栈内存中：**8大基本类型 + 对象引用 + 实例的方法**

#### **为什么main方法最后结束？** ####

所有执行的方法都会放到栈中，俗称压栈，栈是先进后出的原则，main方法最先执行所以它在最下面，然后按照执行的顺序进行压栈，方法调用结束后会从栈中被释放，一直到main方法执行结束，main方法在栈中被释放。

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-B12UZAuw-1647572127627)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1646978749558.png)\]][img-B12UZAuw-1647572127627_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1646978749558.png]

图 为什么main方法最后结束

#### **栈位置示意图及对象实例化过程** ####

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-9NhIphas-1647572127628)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1646979973455.png)\]][img-9NhIphas-1647572127628_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1646979973455.png]  
图 栈位置示意图及对象实例化过程

#### **栈运行原理：栈帧** ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA6ZSm6bKk6aOe5LiK5aSp_size_12_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]  
图 栈帧图解

每个方法都有父栈帧和子栈帧，底部方法的子栈帧指向上一方法的父栈帧，以此类推！

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-yz3xTdHE-1647572127629)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1646981727306.png)\]][img-yz3xTdHE-1647572127629_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1646981727306.png]

图 栈帧简单连接图

### 十、三种JVM ###

*  Sun公司HotSpot `Java Hotspot™ 64-Bit Server VM (build 25.181-b13,mixed mode)`
 *  BEA `JRockit`
 *  IBM `J9VM`
    
    我们学习都是: `Hotspot`

### 十一、堆 ###

Heap,一个JVM只有一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的。

类加载器读取了类文件后，一般会把什么东西放到堆中？

答：类，方法，常量，变量。保存我们所有引用类型的真实对象。

堆内存中还要细分为三个区域：

*  新生区（伊甸园区）Young/New
 *  养老区old
 *  永久区（JDK8后改为元空间）Perm

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-k1oLPta5-1647572127629)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1647222932993.png)\]][img-k1oLPta5-1647572127629_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1647222932993.png]  
图 堆内存详细划分

GC垃圾回收,主要是在伊甸园区和养老区~  
假设内存满了,OOM,堆内存不够! java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space  
永久存储区里存放的都是Java自带的 例如lang包中的类 如果不存在这些，Java就跑不起来了  
在JDK8以后，永久存储区改了个名字(元空间)

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-UBGmwbDs-1647572127630)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1647223156386.png)\]][img-UBGmwbDs-1647572127630_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1647223156386.png]  
![在这里插入图片描述][818b52e2e62641c7be72100800aa38e6.png]  
图 堆内存溢出

### 十二、新生区、老年区 ###

#### 新生区 ####

●类:诞生和成长的地方，甚至死亡;  
●伊甸园，所有的对象都是在伊甸园区new出来的!  
●幸存者区(0,1)

**伊甸园满了就触发轻GC，经过轻GC存活下来的就到了幸存者区，幸存者区满之后意味着新生区也满了，则触发重GC，经过重GC之后存活下来的就到了养老区。**  
真理:经过研究，99%的对象都是临时对象!

### 十三、永久区 ###

**这个区域常驻内存的。用来存放JDK自身携带的Class对象。Interface元数据，存储的是Java运行时的一些环境~** 这个区域不存在垃圾回收，关闭虚拟机就会释放内存

●jdk1.6之前:永久代,常量池是在方法区;  
●jdk1.7:永久代,但是慢慢的退化了，去永久代，常量池在堆中  
●jdk1.8之后:无永久代,常量池在元空间  
![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA6ZSm6bKk6aOe5LiK5aSp_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]  
图 JVM探究

元空间：逻辑上存在，物理上不存在 (因为存储在本地磁盘内) 所以最后并不算在JVM虚拟机内存中

### 十四、堆内存调优 ###

##### 参数 #####

*  \-Xms：JVM初始化内存，单位m
 *  \-Xmx：JVM最大内存，单位m
 *  \-XX:PrintGCDetails：输出GC回收信息
 *  \-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：OOM时dump下OOM文件进行排查问题使用

##### 测试示例 #####

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-twvhzUab-1647572127632)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1647241883719.png)\]][img-twvhzUab-1647572127632_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1647241883719.png]

![在这里插入图片描述][97d7c38e36c74da9a2f9069cdaa8329d.png]

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-z8Y6rr2P-1647572127633)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1647241956422.png)\]][img-z8Y6rr2P-1647572127633_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1647241956422.png]  
图 JVM调优

### 十五、GC（垃圾回收期） ###

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7dmmubkO-1647572127633)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1647498825210.png)\]][img-7dmmubkO-1647572127633_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1647498825210.png]

图 GC的作用区

JVM在进行GC时，并不是对这三个区域统一回收。 大部分时候，回收都是新生代~  
●新生代  
**●幸存区(form，to)**  
●老年区  
GC两种类:轻GC (普通的GC)， 重GC (全局GC)  
GC常见面试题目:

●JVM的内存模型和分区~详细到每个区放什么?  
![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-FKTBbUix-1647572127634)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1647498877931.png)\]][img-FKTBbUix-1647572127634_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1647498877931.png]  
图 JVM内存模型和分区

●堆里面的分区有哪些?  
Eden, form, to, 老年区,说说他们的特点!

●GC的算法有哪些?  
标记清除法，标记整理,复制算法，引用计数器

●轻GC和重GC分别在什么时候发生?

#### 算法 ####

**1、引用计数器**

GC垃圾回收时会先回收引用少的对象。  
![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-vGwSN9TF-1647572127634)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1647499108235.png)\]][img-vGwSN9TF-1647572127634_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1647499108235.png]  
图 引用计数器算法

**2、复制算法**

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA6ZSm6bKk6aOe5LiK5aSp_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]  
图 复制算法大致图  
![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-aAGgrBSR-1647572127635)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1647500294523.png)\]][img-aAGgrBSR-1647572127635_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1647500294523.png]  
图 复制算法详解

●好处:没有内存的碎片~

●坏处:浪费了内存空间~ :多了一半空间永远是空to。假设对象100%存活(极端情况)

复制算法最佳使用场景:对象存活度较低的时候;新生区~

**3、标记清除算法**  
![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-pHzwwdtj-1647572127635)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1647505341862.png)\]][img-pHzwwdtj-1647572127635_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1647505341862.png]  
图 标记清除算法

*  优点：不需要额外的空间。
 *  缺点：需要扫描两次，太耗费时间，而且会产生内存碎片。

**4、标记压缩算法**

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA6ZSm6bKk6aOe5LiK5aSp_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4]  
图 标记压缩算法

*  缺点：比标记清除算法多扫描一次

### 十六、JMM ###

/**
     *
     * JMM的一些约定
     *  1.线程解锁前，必须把共享变量立刻刷回主存
     *  2.线程加锁前，必须读取主存中最新的值到工作内存中
     *  3.加锁和解锁是同一把锁
     *  JMM的8种操作
     *      lock （锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为线程独占状态
     *      unlock （解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定
     *      read （读取）：作用于主内存变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用
     *      load （载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主存中变量放入工作内存中
     *      use （使用）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的变量传输给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值，就会使用到这个指令
     *      assign （赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中
     *      store （存储）：作用于主内存中的变量，它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便后续的write使用
     *      write 　（写入）：作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中
     *
     *  8种操作的规则
     *      不允许read和load、store和write操作之一单独出现。即使用了read必须load，使用了store必须write
     *      不允许线程丢弃他最近的assign操作，即工作变量的数据改变了之后，必须告知主存
     *      不允许一个线程将没有assign的数据从工作内存同步回主内存
     *      一个新的变量必须在主内存中诞生，不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是怼变量实施use、store操作之前，必须经过assign和load操作
     *      一个变量同一时间只有一个线程能对其进行lock。多次lock后，必须执行相同次数的unlock才能解锁
     *      如果对一个变量进行lock操作，会清空所有工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，必须重新load或assign操作初始化变量的值
     *      如果一个变量没有被lock，就不能对其进行unlock操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量
     *      对一个变量进行unlock操作之前，必须把此变量同步回主内存
     */

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-UDdVkZKX-1647572127636)(C:\\Users\\李世航\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\1647508228009.png)\]][img-UDdVkZKX-1647572127636_C_Users_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_1647508228009.png]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA6ZSm6bKk6aOe5LiK5aSp_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 5] 图 JMM8种操作

### 十七、总结 ###

内存效率：复制算法 > 标记清除算法 > 标记压缩算法（时间复杂度）

内存整齐度：复制算法 = 标记压缩算法 > 标记清除算法

内存利用率：标记清除算法 = 标记压缩算法 > 复制算法

思考：难道没有最优的算法吗？

答案：没有，没有最优的，只有最适合的算法 -----------> GC：分代收集算法

年轻代：

*  存活率低
 *  复制算法

老年代

*  区域大：存活率高
 *  标记清除 + 标记压缩混合实现

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