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JVM入门学习

JVM
JVM
发布日期: 2021-03-21
作者: 勇也很努力
文章字数: 3.2k
阅读时长: 11 分

学习视频链接：B站 遇见狂神说

认识JVM

JVM，全称Java Virtual Machine，英文为Java虚拟机，“虚拟机（Virtual Machine）是指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统”，但是 虚拟机本质还是该计算机系统的一个进程，为了方便描述，我们把整个计算机当成一幢大楼，而虚拟机则是某一个楼层。大楼划分了一个区域给一个楼层，让这个楼层自己管理自己，也就对应着，计算机划分了一个内存给JVM，让JVM自己管理自己。JVM的内存区域划分为两大块，线程隔离的区域和线程共享的区域。

JVM体系结构

三种JVM

  • Sun公司 HotSpot Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.271-b09, mixed mode)
  • BEA JRockit
  • IBM J9VM

类加载器

启动类加载器

（父）启动类加载器（BootstrapClassLoader）：rt.jar

扩展类加载器

（母）扩展类加载器（ExtClassLoader）： ext/*.jar

应用类加载器

App/SystemClassLoader： 应用/系统类加载器，加载当前classpath的所有类。

自定义类加载器

XxxClassLoader：用户自定义的类加载器，默认使用双亲委派，委托上级来加载。

工作流程

如果一个类加载器接收到了类加载的请求，它首先把这个请求委托给他的父类加载器去完成，每个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它在搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

生命周期

类加载的生命周期

源码分析

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
            throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先检查这个classsh是否已经加载过了
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    // c==null表示没有加载，如果有父类的加载器则让父类加载器加载
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        //如果父类的加载器为空 则说明递归到bootStrapClassloader了
                        //bootStrapClassloader比较特殊无法通过get获取
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {}
                if (c == null) {
                    //如果bootstrapClassLoader 仍然没有加载过，则递归回来，尝试自己去加载class
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

双亲委派机制

Java中为了保证类加载的安全，使用了双亲委派机制。优先从启动类加载器中加载，这个称为“父”。“父”无法加载到，再从扩展类加载器中加载，这个称为“母”。

双亲委派。如果都加载不到，才会考虑从应用类加载器中加载。直到加载到为止。

当某个类加载器需要加载某个.class文件时，它首先把这个任务委托给他的上级类加载器，递归这个操作，如果上级的类加载器没有加载，自己才会去加载这个类。

  1. 类加载器收到类加载的请求
  2. 将这个请求向上委托为父类加载器去完成，一直向上委托，直到启动类加载器
  3. 启动类加载器检查是否能够加载当前的这个类，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

面试问题

  • 为什么需要双亲委派机制?（也就是双亲委派的优点）

    ①双亲委派机制使得类加载出现层级，父类加载器加载过的类，子类加载器不会重复加载，可以防止类重复加载；

    ②使得类的加载出现优先级，防止了核心API被篡改，提升了安全，所以越基础的类就会越上层进行加载，反而一般自己的写的类，就会在应用程序加载器（Application）直接加载。

  • 如何打破双亲委派？

    ①自定义类加载器，重写loadClass方法

    ②使用线程上下文类加载器

沙箱安全机制

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。

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：

    • 安全提供者
    • 消息摘要
    • 数字签名
    • 加密
    • 鉴别

Native

Java在内存区域中专门开辟了一块标记区域——本地方法栈，用来登记native方法，凡是带了native关键字的，会进入到本地方法栈中，调用本地方法接口（JNI），在最终执行时，通过JNI（Java Native Interface）加载本地方法库中的方法。

JNI作用：扩展Java的使用，融合不同的编程语言为Java所用。最初是想融合C，C++的，因为Java诞生的时候，C，C++横行，想要立足的话就要有能调用C的程序

本地方法栈（Native Method Stack）：具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在执行引擎（Execution Engine）执行时加载本地库（Native Libraies）。

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。

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；

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。

栈

栈：先进后出，后进先出

队列：先进先出（FIFO：first input first output

线程结束，栈内存也就释放了，对于栈而言，不存在垃圾回收问题。

堆

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，一般会把类、方法、常量、变量放到堆中，保存所有引用类型的真实对象。

堆内存中细分为以下三个区域：

  • 新生区
  • 养老区
  • 永久区

在JDK8后，永久存储区更换为元空间。

方法区是一种定义、概念。而所谓永久代或元空间是其一种实现机制。（元空间逻辑上存在，物理上不存在）

GC垃圾回收，主要是在伊甸园区和养老区。

若内存满了，OOM，堆内存不够。java.lang.OutOfMenoryError:Java heap space

新生区

  • 一个类诞生和成长（甚至死亡）的地方。
  • 所有的对象都是在伊甸园区new出来的。
  • 幸存者区（存活区）分为0，1区（from space ，to space谁空谁是to）。

养老区

主要存放JVM认为生命周期比较长的对象（经过几次的新生区（Young Gen）的垃圾回收后仍然存在，换个说法就是新生区没干掉，没杀死的来到了养老区），内存大小相对会比较大，垃圾回收也相对没有那么频繁（譬如可能几个小时一次）。

大多对象都是临时对象。

永久区

这个区域常驻内存中，用来存放jdk本身携带的Class对象和Interface元数据，存储的是Java运行时的一些环境或类信息，该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。

  • 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

一个启动类，加载了大量的第三方jar包；Tomcat部署过多的应用，大量动态地生成的反射类，不断地被加载，直到内存满，就会出现OOM。

GC垃圾回收

垃圾回收区域在堆和方法区，99%（大多）在堆中。

GC分为两类：轻GC（普通的GC）、重GC（全局GC）

GC常用算法

标记清除法，标记压缩，复制算法，引用计数法。

引用计数法

给对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器加1；当引用失效时，计数器减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。但是此算法有个致命缺陷无法解决循环引用的问题。

复制算法

新生区使用这种算法进行gc 。将可用的内存按容量划分为大小相等的两块（from，to），每次只是用其中一块（总有一块是空的【to区域】）。当这一苦熬的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后把已使用过的内存空间一次清理完。

  • 每次GC都会讲Eden区中的对象清到幸存区中，一旦Eden区被GC，那么Eden区就会是空的
  • 两个幸存区保持谁空谁是to的原则，即每次GC回将上一轮的from区中的对象复制，然后加上Eden区中新的被GC进来的对象，合在一起放入空的to区中，然后to区变成下一轮的from区，原来的from区被清空，变成新一轮的to区
  • 当一个对象经历了15次（默认值）GC还没有死，那么就会进入养老区中
    注：可通过-XX:MaxTenuringThreshold=value 来调节进入养老区的时间,这也是JVM性能调优的一种方式

优点：没有内存碎片
缺点：浪费内存空间，多了一半空间为空，加入存活率100%就会发生OOM，所以复制算法常用与存活率较低的新生区中

标记清除法

养老区通常使用这种算法。先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收（清除）所有被标记的对象。

优点：不需要额外空间

缺点：两次扫描，浪费时间，同时会产生内存碎片

标记压缩算法

标记清除压缩算法，对于标记清除的进行压缩。

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