JVM 基础、堆内存分析和垃圾回收算法

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首先基本的面试题都是下面的夺命连环问，感受一下。

请你谈谈你对 JVM 的理解。java8 虚拟机和之前有什么变化？
什么是 OOM，什么是栈溢出 StackOverFlowError？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？你知道吗？
谈谈 JVM 中，你对类加载器的认识？

这篇文章先大体梳理一下相关的知识点，后面再整理一篇基本面试题相关的，先挖个坑。要说明的是，文章中很多地方关于概念是一带而过的，难免有部分内容没有说明白。对于不明白的点，建议自己动手查查相关资料，决不能指望一篇笔记就能把 JVM 搞明白，这显然也是不可能的。

1、JVM 的位置

JVM 基础、堆内存分析和垃圾回收算法

可以看到 JVM 是 JRE 的一部分。主要工作是解释自己的字节码并映射到本地的 CPU 指令集和 OS 的系统调用。Java 语言是跨平台的，不同的操作系统会有不同的 JVM 映射规则，这就使得 Java 语言与操作系统无关。

2、JVM 的体系结构

JVM 基础、堆内存分析和垃圾回收算法

3、类加载器

作用：加载 Class 文件，比如我们 new Student() 的时候，Student 是类，是抽象的，使用 new 关键词创建对象实例，实例的引用是在栈中，而具体的人是放在堆中。

3.1、类的实例化和双亲委派机制

public class Car {
    public static void main(String[] args) {
        // 类是模板，对象是具体的
        Car car1 = new Car();
        Car car2 = new Car();
        Car car3 = new Car();

        System.out.println(car1.hashCode()); // 460141958
        System.out.println(car2.hashCode()); // 1163157884
        System.out.println(car3.hashCode()); // 1956725890

        Class<? extends Car> aClass1 = car1.getClass();
        Class<? extends Car> aClass2 = car2.getClass();
        Class<? extends Car> aClass3 = car3.getClass();

        System.out.println(aClass1.hashCode()); // 685325104
        System.out.println(aClass2.hashCode()); // 685325104
        System.out.println(aClass3.hashCode()); // 685325104
    }
}

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3.2、类加载

类加载器：

虚拟机自带的加载器
启动类（根）加载器
扩展类加载器
应用程序加载器

试验：自己定义一个String类，看是否能执行

package java.lang;

public class String {
    // 双亲委派机制：安全
    // BOOT --> EXT --> APP (最终执行)
    // BOOT
    // EXT
    // APP
    public String toString () {
        return "Hello";
    }

    public static void main(String[] args) {
        String s = new String();
        System.out.println(s.toString());
    }
    
    // 错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为:
    //   public static void main(String[] args)
    //否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application
    
    /**
     * 类加载的流程
     * 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，直到启动类加载器
     * 3. 启动节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
     */

}

百度：双亲委派机制

4、沙盒安全机制

Java安全的模型的核心就是 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 代码限制在虚拟机特定的运行环境中，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，防止对本地系统操作破坏。沙箱主要限制系统资源访问。

5、Native

开启一个多线程启动类：

public static void main(String[] args) {
    new Thread(() -> {

    }, "my thread name").start();
}

点进去查看start()方法的源码：

public synchronized void start() {
    /**
         * This method is not invoked for the main method thread or "system"
         * group threads created/set up by the VM. Any new functionality added
         * to this method in the future may have to also be added to the VM.
         *
         * A zero status value corresponds to state "NEW".
         */
    if (threadStatus != 0)
        throw new IllegalThreadStateException();

    /* Notify the group that this thread is about to be started
         * so that it can be added to the group‘s list of threads
         * and the group‘s unstarted count can be decremented. */
    group.add(this);

    boolean started = false;
    try {
        start0(); // 调用start0()方法
        started = true;
    } finally {
        try {
            if (!started) {
                group.threadStartFailed(this);
            }
        } catch (Throwable ignore) {
            /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
                  it will be passed up the call stack */
        }
    }
}

private native void start0();

可以看到源码中使用了特殊的方法 start0()，使用了 native关键词。

native ：凡是带了 native 关键词，说明 java 的作用范围达不到了，会调用底层 C 语言的库！
native 的方法会进入本地方法栈，调用本地方法接口 JNI（Java Native Interface 本地方法接口），其他的就是 Java 栈。

JNI的作用：扩展 java 的使用，融合不同的编程语言为 java 所用！最初的时候需要融合 C 和 C++。
		Java 诞生的时候， C 和 C++ 横行，想要立足，必须要有调用 C 和 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。
比如： Java程序驱动打印机，管理系统。这部分掌握即可，在企业级应用中较为少见。

现在调用第三方语言接口的方式很多，比如：Socket、WebService、HTTP等。

6、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（用来存储指向一条指令的地址，也即将要执行的指令代码），在执行引擎下读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不计。

7、方法区

Method Area 方法区

方法区是被所有线程共享的，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 ** 。

static、final、Class、常量池。

8、栈

栈是一种数据结构，可以形象地理解为一个水桶或水杯，其特点是先进后出。比如，依次将乒乓球放入杯子中，先放进去的球，最后才能拿出来。

栈中存放 8 大基本数据类型 + 对象引用 + 实例的方法。

栈内存主管程序的运行，生命周期和线程同步。Java 中执行方法的过程就是调用栈的过程。为什么 main() 方法，最先执行，最后结束呢？因为main() 方法是程序的入口，执行时 main() 会最先被压到栈底，在 main() 方法中调用其他方法时，依次将其他方法压入栈中。

线程结束，栈内存就释放了，对于栈来说，不存在垃圾回收问题。

栈的运行原理：

JVM 基础、堆内存分析和垃圾回收算法

栈 + 堆 + 方法区的交互关系

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画一个对象实例化的过程在内存中：百度、看视频。

JVM的内存区域划分，对象实例化分析

JVM系列分析- 内存模型

9、三种 JVM

Sun 公司 HotSpot ： Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.191-b12, mixed mode)
BEA：JRockit
IBM：J9VM

我们学习的都是HotSpot 。

10、堆

Heap，一个 JVM 只有一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的。

类加载器读取类文件后，一般会把什么东西放入堆中？类、方法、常量、变量，保存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 Eden）：Young/New
养老区：old
永久区：Perm

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新生区中没有被垃圾收集器干掉的对象会进入幸存区0区，幸存区0区中没有被干掉的对象会进入幸存区1区。幸存区0区和幸存区1区会不停的交换位置。经过一定次数后的垃圾回收后还没有被干掉的对象会进入养老区，这个区域的对象一般不会被干掉，但不是绝对的。假设养老区满了，对象会进入永久存储区。

针对新生区的垃圾回收称为轻量级的垃圾收集，也称轻 GC。针对养老区的垃圾回收称为重量级的垃圾收集，也称重 GC。

GC 垃圾回收，主要是在伊甸园区和养老区。

假设内存满了，会报错 OOM，OutOfMemeroy，对内存不够！

public static void main(String[] args) {
    String str = "hello world!";

    while (true) {
        str += str + new Random().nextInt(88888888) + new Random().nextInt(99999999);
    }
    //        Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    //        at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3332)
    //        at java.lang.AbstractStringBuilder.ensureCapacityInternal(AbstractStringBuilder.java:124)
    //        at java.lang.AbstractStringBuilder.append(AbstractStringBuilder.java:674)
    //        at java.lang.StringBuilder.append(StringBuilder.java:208)
    //        at Hello.main(Hello.java:8)
}

在 JDK8 以后，永久存储区改名为元空间。

11、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，所有对象都是在伊甸园区 new 出来的；
幸存者区：0 和 1 区。
经过研究，99%的对象都是临时对象，所以进入老年区的对象很少。

12、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 运行时的一些环境或类信息，这个区域不存在垃圾回收！关闭 VM 虚拟机就会释放这个区域的内存。

一个启动类，加载了大量的第三方 jar 包。Tomcat 部署了太多的应用，大量动态生成的反射类。不断的被加载，知道内存满，就会出现 OOM。

JDK1.6：永久代，常量池存放在方法区；
JDK1.7：永久代，但是慢慢的退化了，常量池在堆中；
JDK1.8：无永久代，常量池在元空间。

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13、堆内存调优

public static void main(String[] args) {
    // 返回 JVM 试图使用的最大内存
    long max = Runtime.getRuntime().maxMemory(); // 字节

    // 返回 JVM 的初始化总内存
    long total = Runtime.getRuntime().totalMemory();

    System.out.println("max=" + max + "字节\t" + (max / (double)1024/1024) + "MB");
    // max=2831679488字节	2700.5MB
    System.out.println("total=" + max + "字节\t" + (total / (double)1024/1024) + "MB");
    // total=2831679488字节	182.5MB

    // 默认情况下：分配的从内存是电脑内存的 1/4, 而初始化内存是电脑内存的 1/64。
}

元空间在逻辑上存在，物理上不存在。

OOM 解决方案：

尝试扩大堆内存看结果；
分析内存，看一下哪个地方出现了问题（专业工具）。

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14、使用 JProfier 工具分析 OOM 原因

在一个项目中，突然出现了 OOM 故障，那么该如何排除，研究为什么出错？

能够看到代码第几行出错：内存快照分析工具，MAT（Eclipse）、JProfiler
Debugger，一行行分析代码。

MAT 、JProfiler的作用：

分析 Dump 内存文件，快读定位内存泄漏；
获得堆中的数据；
获得大的对象；
。。。。。。

JProfiler 插件和Windows客户端安装百度。

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编写一个 OOM 的程序测试

public class Demo03 {
    byte[] array = new byte[1 * 1024 * 1024]; // 1MB

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Demo03> list = new ArrayList<>();
        int count = 0;

        try {
            while (true) {
                list.add(new Demo03());
                count ++;
            }
        } catch (Exception e) { // 错误写法
            e.printStackTrace();
        }
    }
//    Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
//    at Demo03.<init>(Demo03.java:4)
//    at Demo03.main(Demo03.java:12)
}

这个程序出现了 OOM，但是从报错信息无法看出哪里的问题。

此时需要添加一些配置，打印一些信息。

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通过 JProfiler 工具打开文件：

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总结：
	// -Xms 设置初始化内存分配的大小  默认1/64
    // -Xmx 设置最大分配内存    默认 1/4
    // -XX:+PrintDCDetails  // 打印GC垃圾回收信息
    // -Xms1m -Xmx8m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError    OOM  Dump(转储文件)

15、GC ：常用算法

GC 的作用区域：

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JVM 在进行 GC 时，并不是对这三个区域统一回收，大部分时候，回收都是新生区。

新生区
幸存区：from to
老年区

GC 的分类：

轻 GC（普通的 GC）：主要针对新生区，偶尔对幸存区进行 GC。

重 GC（全局 GC）：把上面所有的区域都进行 GC，也就是释放内存。

堆内存中的幸存区是可以交换位置的。

JVM 基础、堆内存分析和垃圾回收算法

GC 的题目：

JVM 的内存模型和分区，详细到每个区放什么；
堆里面的分区有哪些？ Eden、from、to、Old，说说他们的特点；
GC 的算法有哪些？标记清除法、标记压缩、复制算法、引用计数器，怎么用的？
轻 GC 和重 GC 分别在什么时候发生？

引用计数器：(用得少)

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复制算法：幸存区的复制

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GC 复制算法：

好处：没有内存碎片；

坏处：浪费了空间内存，多了一半空间（to）永远都是空的。极端情况下，比如对象 100% 存活，这个缺点就很明显。

复制算法最佳使用场景：对象存活度较低，比如新生区。

标记清除算法

优点：不需要额外的空间！

缺点：两次扫描，严重浪费时间，会产生内存碎片。

JVM 基础、堆内存分析和垃圾回收算法

标记压缩

对标清除进行再优化。

JVM 基础、堆内存分析和垃圾回收算法

标记清除压缩

再次优化上述算法，可以多次进行标记清除，进行一次标记压缩。

16、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：标记压缩算法 == 标记清除算法 > 复制算法

思考一个问题：难道没有一个最优的算法吗？

答案：没有，没有最好的算法，只有最合适的算法---> GC：分代收集算法

年轻代：

存活率低
复制算法

老年代：

区域大，存活率低
标记清除（内存碎片不是太多）+ 标记压缩混合实现。

参考书籍：《深入理解 JVM》

17、JMM（高频）和快速学习方法

什么是 JMM？

JMM：Java Memory Model 的缩写。

它是干嘛的？

作用：缓存一致性协议，用于定义数据读写的规则。

JMM 定义了线程工作内存和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory）。

解决共享对象可见性这个问题： volilate

它该如何学习？

官方、其他人的博客、对应的视频。。。

Java内存模型（JMM）总结

关于内存图：可以去思维导图： processon 网站搜索 JVM 可以看到别人画的相关思维导图。

参考文章

JVM 基础、堆内存分析和垃圾回收算法

1、JVM 的位置

2、JVM 的体系结构

3、类加载器

3.1、类的实例化和双亲委派机制

3.2、类加载

4、沙盒安全机制

5、Native

6、PC 寄存器

7、方法区

8、栈

栈 + 堆 + 方法区的交互关系

9、三种 JVM

10、堆

11、新生区、老年区

12、永久区

13、堆内存调优

14、使用 JProfier 工具分析 OOM 原因

编写一个 OOM 的程序测试

15、GC ： 常用算法

引用计数器：(用得少)

复制算法：幸存区的复制

标记清除算法

标记压缩

标记清除压缩

16、总结：

17、JMM（高频） 和 快速学习方法

相关推荐

15、GC ：常用算法

17、JMM（高频）和快速学习方法