方圆

jvm-note

2019-06-08

本文主要是自己整理《深入理解Java虚拟机》一书的知识点,逐渐完善体系,逐渐补充示意图。最终的目标是,在这本书的基础上精简,但不丢失重点,并逐渐添加自己遇到的知识。
长文警告!!

1. 内存区域

jvmruntimedataarea.png
JVM 在执行Java程序时会将所管理的内存划分为不同的区域。这些区域用途、创建和销毁时间等不同。

1.1. 运行时数据区域

  • Program Counter Register
    程序计数器是一块较小的内存空间,可以看作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、线程回复等基本工作都依赖于这个计数器完成。
    每条线程都需要一个独立的程序计数器(线程私有),各条线程之间计数器互不影响,独立存储。

  • VM Stack
    Java 虚拟机栈,也是线程私有,生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型,后面会细讲。每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
    平时说的“栈内存”就是虚拟机栈中局部变量表部分。

  • Native Method Stack
    本地方法栈与虚拟机栈的作用非常类似,只不过是为本地方法提供服务。有的虚拟机(eg. Sun HotSpot)把本地方法栈和虚拟机栈合并。

  • Java Heap
    对于大多数应用来说,Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块,是线程共享,在虚拟机启动时创建,唯一目的是存放对象实例,几乎所有(栈上分配、标量替换技术带来意外)的对象实例都在这里分配内存。是垃圾收集器管理的主要区域,后面会细讲。

  • Method Area
    线程共享,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。Java虚拟机规范将方法区描述为堆的一个逻辑部分。HotSpot虚拟机将GC分代收集拓展至方法区,使用永久代来实现方法区。

    • Runtime Constant Pool
      运行时常量池是方法区的一部分,Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等信息外,还有一项信息是常量池,用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用,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。
      除此之外,还会把翻译后出来的直接引用存储在运行时常量池中。Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生,运行期间也可能将新的常量放入池中。eg. String 类的intern() 方法。
  • Direct Memory
    直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。在JDK1.4引入的NIO(new input/output)类,这是一种基于通道(Channel)与缓存区(Buffer)的I/O方式,它可以使用Native函数库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能显著提高性能。直接内存不受堆大小的限制。

    1.2. HotSpot 虚拟机对象

  • 对象的创建
    obj_gen_gram
    Java 是OOP语言,无时无刻都在创建和销毁对象,创建对象的new关键字背后是如何实现的。

    1. 类加载检查
      检查new指令的参数能否在常量池中定位到一个类的符号引用,这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有就执行相应的类加载过程,后面会细讲。

    2. 为新生对象分配内存
      对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定(对象的内存布局中介绍)。
      有指针碰撞和空闲列表两种内存分配方式:

      • 指针碰撞:Java堆中内存是规整的,所有用过的内存都放在一边,没用的内存放在另一边,中间放着指针作为分界点的指示器,分配内存就是把指针向空闲列表那边移动与对象大小相等的距离。

      • 内存列表:Java堆中内存是不规整的,已使用的内存和空闲内存相互交错,虚拟机就必须维护一个表记录那些内存块是可用的,在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间分配给对象实例(没有足够大如何解决的??)。

        垃圾收集 内存 分配方式
        有压缩整理功能,eg.Serial,ParNew 内存规整 指针碰撞
        无压缩整理功能,eg.CMS 内存不规整 空闲列表
        频繁分配内存引起的并发,2种方案:
      • 同步:虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证原子性:

      • TLAB(Thread Local Allocation Buffer):将内存分配动作按照线程划分在不同的空间之中进行,哪个线程需要分配内存就在哪个线程的TLAB上分配,只有TLAB用完并分配新的TLAB时才需要同步锁定。虚拟机通过-XX:+/-UseTLAB来是否使用。

    3. 内存空间初始化
      虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值(不包括对象头),如果使用了TLAB,这一工作可能提前到TLAB分配时进行。这一步操作保证了对象实例在Java代码中可以不赋值就直接使用。

    4. 对对象进行必要的设置
      这个对象是哪个类的实例,如何才能找到类的元数据信息、对象的hash码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息都存放在对象的头之中。根据虚拟机当前的运行状态不同,如是否使用偏向锁等,对象头会有不同的设置方式。

    5. init
      上面工作结束,从虚拟机来看,一个新的对象已经产生了;但对于Java程序,对象创建才刚刚开始。一般来说(由字节码是否跟随invokespecial指令所决定),执行new指令之后会接着执行 方法,把对象按照程序员的意愿进行初始化,这样一个真正的对象才算完全产生。

  • 对象的内存布局
    objmemoryarea.png

    • Header:对象头

      • Mark Word:存储对象自身的运行时数据,如HashCode、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机(未开启压缩指针)分别为32bit和64bit。被设计成非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的信息,会根据对象的状态复用自己的存储空间。

      • Class Pointer:对象指向它的类的元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针。

      • 另外,如果对象是一个Java数组,那么在对象种还不许有一块用于记录数组长度的数据,因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小,但从数组的元数据中无法确定数组大小。

        存储内容 标志位 状态
        对象HashCode,GC分代年龄 01 未锁定
        指向锁记录的指针 00 轻量级锁定
        指向重量级锁的指针 10 膨胀(重量级锁定)
        空,不需要记录信息 11 GC标记
        偏向线程ID、偏向时间戳、GC分代年龄 01 可偏向
    • Instance Data:实例数据,对象真正存储的有效信息,也是程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的,还是在子类中定义的。这部分的存储策略受到虚拟机分配策略参数(FiledsAllocationStyle)和字段在Java源码中定义顺序的影响。
      分配策略:HotSpot虚拟机默认的分配策略位longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(ordinary Object Pointers).相同宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个条件的前提下,在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果CompactFields参数值为true(默认true),那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。像是以前听到的“玻璃瓶先装石头,再装沙子,在装水”。

    • Padding:对齐填充,并不是必然存在的,仅仅起着占位符的作用。

  • 对象的访问定位
    Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。Java虚拟机规范没有规定实现方式,因此由具体虚拟机实现决定。目前主流的访问方式:

    • 句柄:在Java堆中划分一块内存作为句柄池,reference中存储的就是对象的句柄地址,句柄中包含了对象实例数据与具体类型数据各自的具体地址信息。优点是reference中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动时(gc时移动对象非常普遍)只会改变句柄中的实例数据指针,而reference本身不需要改变。
      locobjwithhandle.png

    • 直接指针:Java堆对象的布局中就必须考虑如何防止访问类型数据的相关信息,reference中存储的就是对象地址。优点是访问速度快。Sun HotSpot 使用此方式。
      locobjdirect.png

2. 垃圾回收

垃圾回收是针对某些内存区域

3. 类执行子系统

类加载机制
classloader
双亲委派模型
基于栈的指令集
指派

4. 内存模型与线程

线程
线程安全

5. 编译与优化

TODO

Tags: jvm
使用支付宝打赏
使用微信打赏

若你觉得我的文章对你有帮助,欢迎点击上方按钮对我打赏

扫描二维码,分享此文章