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Java虚拟机

ventixyAbout 18 min

JVM核心基础

类加载机制

  1. Bootstrap 类加载器：负责加载核心的 Java 类库（如 java.lang.*）。
  2. Extension 类加载器：负责加载扩展库（如 javax.*）。
  3. Application 类加载器： 负责加载应用程序类路径（CLASSPATH）下的类。
  4. 自定义类加载器： 用户自定义的类加载器，扩展类加载机制。 继承 java.lang.ClassLoader 类并重写 findClass 和 loadClass 方法。

JVM类加载过程

  1. 加载（Loading）： 读取字节码文件。 创建 Class 对象。 将 Class 对象与类加载器关联。
  2. 链接（Linking）：
    • 验证（Verification）：确保字节码文件符合 JVM 规范。
    • 准备（Preparation）：为类的静态变量分配内存并设置默认值。
    • 解析（Resolution）：将符号引用解析为直接引用。
  3. 初始化（Initialization）： 执行静态初始化块和静态变量的赋值操作。
    使用，卸载

双亲委派机制

当一个类加载器收到类加载请求时，首先委托给父类加载器去加载。递归向上，直到最顶层的 Bootstrap 类加载器。如果父类加载器无法加载（即在其加载路径中找不到指定的类），子类加载器才会尝试自己加载。 双亲委派模型的好处：

  1. 安全性：防止核心类库被篡改。
  2. 避免类的重复加载：确保一个类在 JVM 中只有一个加载实例。
  3. 模块化：不同类加载器负责不同的类加载任务，职责明确。

运行时数据区

JVM内存划分

  • 程序计数器：线程私有，用于记录当前线程所执行的字节码指令的位置。

  • Java虚拟机栈：线程私有，用于存储局部变量、操作数栈、动态链接和方法出口等信息，每个方法被调用时都会创建一个新的栈帧。

  • 本地方法栈：线程私有，与Java虚拟机栈类似，但用于支持Native方法的调用。

  • Java堆：线程共享，用于存储所有实例对象和数组。这是垃圾收集器管理的主要区域。

  • 方法区：线程共享，存储已加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。

  • 直接内存：可以通过java.nio.ByteBuffer的allocateDirect()方法来分配和使用

方法区只是一个规范，其实现方式在jdk1.7及之前为永久代，jdk1.8则为元空间（MetaSpace），且元空间存在于本地内存（Native Memory）

  • 永久代中的 interned Strings(字符串常量池）和 class static variables(类静态变量) 转移到了Java heap （JDK1.7）

Java8为什么要将永久代替换成Metaspace ?

  • 字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出
  • 类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易导致老年代溢出
  • 永久代会为GC带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。

内存溢出

JVM 方法区是否会出现内存溢出?
是的，JVM 方法区（或元空间）可能会出现内存溢出，通常是因为类加载过多或元数据过多。可以通过调整 -XX:MaxMetaspaceSize 参数来限制方法区的大小。

JVM 有那几种情况会产生 OOM（内存溢出）？

  • 堆内存溢出（java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space）
  • 栈内存溢出（java.lang.StackOverflowError）
  • 方法区内存溢出（java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace）
  • 直接内存溢出（java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory）

引用类型

Q17: Java 中的强引用、软引用、弱引用和虚引用分别是什么？

  • 强引用：普通的对象引用，如 Object obj = new Object()。只要强引用存在，垃圾回收器就不会回收对象。
  • 软引用：通过 SoftReference 创建，用于实现内存敏感的缓存。当内存不足时，垃圾回收器会回收软引用指向的对象。
  • 弱引用：通过 WeakReference 创建，用于实现弱引用关联的数据结构。弱引用指向的对象在下一次垃圾回收时一定会被回收。
  • 虚引用：通过 PhantomReference 创建，主要用于对象销毁时的回调通知。虚引用指向的对象在垃圾回收时会被放入引用队列，但不会被回收。

JVM垃圾回收

可达性分析

可达性分析算法会从 根对象集 开始，这组根对象集通常包括：

  • 所有活动线程的栈帧中的局部变量。
  • 方法区（即永久代或元空间）中的静态变量。
  • 方法区中的某些常量引用。
  • 本地方法栈中JNI（Java Native Interface）的引用。

沿着对象之间的引用链进行深度优先或广度优先搜索，标记所有能从根对象直接或间接引用到的对象。未被标记的对象被视为不可达，可以被垃圾回收器回收。

三色标记算法

三色标记算法是可达性分析的一种具体实现方法，通过将对象分为白色、灰色和黑色三种状态来追踪对象的可达性。

  • 白色（White）：表示尚未访问的对象。初始状态下，所有对象都是白色的。
  • 灰色（Gray）：表示已被访问但其引用的对象尚未全部访问的对象。灰色对象是当前正在处理的对象。
  • 黑色（Black）：表示已被访问且其引用的对象也已全部访问的对象。黑色对象及其引用的对象都是可达的。

过程：

  • 初始标记：从根对象开始，将所有根对象标记为灰色。
  • 并发标记：从灰色对象开始，递归地访问其引用的对象。将访问到的白色对象标记为灰色，将当前处理的灰色对象标记为黑色。
  • 重新标记：校正并发标记阶段可能出现的引用变化，确保所有可达对象都被正确标记。
  • 并发清除：清除所有仍为白色的对象。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法和分代收集算法。

  • 标记-清除算法: 标记存活对象，清除未标记的垃圾对象。存在内存碎片化和效率问题

  • 标记-复制算法：将可用内存分为两个相等的部分，每次只使用其中一个部分。当这部分的内存用完时，垃圾回收器会检查这部分内存中的对象，将存活的对象复制到另一部分的内存中。解决了内存碎片化问题，但内存利用率只有50%，如果存活对象过多，复制成本会很高。

  • 标记-整理算法：在标记-清除的基础上，将存活对象复制到内存区域的一端，从而整理内存空间，消除碎片。但仍需要遍历整个堆，对象移动可能会导致额外的开销，尤其是当存活对象很多时。

  • 分代收集算法：基于“代际假说”。将将堆分为年轻代和老年代，年轻代使用复制算法，而老年代通常使用标记-清除 或 标记-整理算法。

Parallel Scavenge 使用标记-复制算法，Parallel Old 使用标记-整理算法。

堆内存划分

分代收集（Generational Collection） 基于“代际假说”：新创建的对象倾向于较快地变成垃圾，而存活时间长的对象则倾向于继续存活。

在JDK 1.8及之前的版本中，堆内存被划分为几个主要的区域（从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆可以细分为）：

  • 年轻代（Young Generation）
  • 老年代（Old Generation）
  • 永久代（Permanent Generation）

从JDK 1.8开始，永久代被元空间（Metaspace）取代，元空间使用的是本机内存而不是堆内存。因此，堆内存划分变为：年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）

堆内存划分
堆内存划分

Heap

年轻代（Young Generation）：

年轻代主要存放新创建的对象，内存大小相对会比较小，垃圾回收会比较频繁。年轻代分 成1个 Eden Space 和2个 Suvivor Space（from 和to）

  • Eden Space：这是年轻代中最大的部分，新创建的对象首先在这里分配。
  • Survivor Spaces：分为两个相等大小的部分，S0和S1（在HotSpot JVM中，分别叫做From和To空间）。每次Minor GC后，存活的对象会被移动到另一个空的Survivor空间中，或者如果对象足够大或存活时间足够长，则直接进入老年代。

老年代（Old Generation / Tenured Generation）：

老年代用于存储长期存活的对象，或者在年轻代中无法容纳的大对象（Large Objects）。内存大小相对会比较大，垃圾回收也相对没有那么频繁。

永久代（Permanent Generation）/ 元空间（Metaspace）：

用于存储类的元数据、静态变量、常量池等信息。在JDK 1.8中，永久代被元空间（Metaspace）取代。

为什么 Java 新生代被划分为 S0、S1 和 Eden 区？
新生代被划分为 Eden 区和两个 Survivor 区（S0 和 S1），这样可以在 Minor GC 时使用复制算法，将存活对象从 Eden 区复制到一个 Survivor 区，另一个 Survivor 区作为备用，这样可以高效地回收短生命周期的对象。

垃圾回收方式

常见垃圾回收方式

部分收集器（Partial GC）

  • Minor GC / Young GC：这是年轻代（Young Generation）的垃圾回收过程，主要发生在Eden区。当Eden区满时，Minor GC会被触发，将存活的对象移动到Survivor区或晋升到老年代。Minor GC通常频率较高，停顿时间较短。

  • Major GC / Old GC：针对老年代（Old Generation）进行垃圾回收，通常是因为老年代空间不足。

整堆收集器（Full GC）

整堆收集器对整个堆内存进行垃圾回收，包括年轻代、老年代以及永久代（PermGen）或元空间（Metaspace）。Full GC通常在以下情况发生：

  • 当老年代空间不足，且之前的Minor GC未能释放足够的空间时。
  • 当永久代或元空间空间不足。
  • 显式调用System.gc()时，尽管这并不保证立即执行Full GC，且通常不推荐这样做。

Mixed GC

Mixed GC是一个比较新的概念，主要出现在现代的垃圾回收器如G1（Garbage First）中。它是一种混合了年轻代和老年代回收的策略，在清理年轻代的同时，也会清理一部分老年代区域，这种策略有助于减少Full GC的发生，降低停顿时间。

JVM 新生代垃圾回收如何避免全堆扫描？
新生代垃圾回收通过使用卡表（Card Table）和记忆集（Remembered Set）来跟踪跨代引用，从而避免全堆扫描。卡表记录了老年代对象对新生代对象的引用，记忆集记录了跨代引用的变化。

垃圾回收器

  1. Serial(Serial & Serial Old)：单线程垃圾回收器，适用于单核处理器和小内存应用，简单高效。

  2. ParNew: 多线程版本的 Serial 垃圾回收器，专门用于新生代的垃圾回收，与 CMS 收集器配合使用，提高并发性能。

  3. CMS（Concurrent Mark Sweep）：并发标记清除垃圾回收器，旨在减少停顿时间，适用于对响应时间有较高要求的应用。

  4. Parallel Scavenge（PS）：多线程垃圾回收器，专注于最大化吞吐量，适用于多核处理器和高性能要求的应用。

  5. Parallel Old：多线程垃圾回收器，专门用于老年代的垃圾回收，与 Parallel Scavenge 配合使用，优化吞吐量。

  6. G1（Garbage First）：分区垃圾回收器，通过预测和优化垃圾回收时间，平衡吞吐量和停顿时间，适用于大内存应用。

  7. ZGC（Z Garbage Collector）：低延迟垃圾回收器，设计目标是实现毫秒级的停顿时间，适用于需要极高响应速度的应用。

  8. Shenandoah：低延迟垃圾回收器，通过并发标记和并发移动对象来减少停顿时间，适用于需要低延迟和高吞吐量的应用。

  9. Epsilon：无操作垃圾回收器，不进行实际的垃圾回收，适用于测试和基准测试，帮助评估应用的内存使用情况。

性能调优与工具

JVM 垃圾回收调优的主要目标是减少停顿时间、提高吞吐量和降低内存占用。具体目标包括减少 Full GC 的频率、优化新生代和老年代的比例、调整垃圾收集器的参数等。

使用监控工具（如 Prometheus + Grafana、VisualVM、JConsole 等）持续监控内存使用情况，可以及时发现潜在问题。

内存泄漏分析

进行内存泄漏分析的方法包括：

内存泄漏分析过程

  1. 生成堆转储文件（Heap Dump）
ps -ef | grep java  # 或者使用jps, 找到 Java 进程的 PID
jmap -dump:live,format=b,file=/path/to/heapdump.hprof <pid>
# jcmd <pid> GC.heap_dump /path/to/heapdump.hprof

发生OOM时自动生成 dump 文件 / 自动执行特定脚本或命令：

java -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/path/to/dumps -jar your-application.jar

java -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:OnError="sh /path/to/your/script.sh" -jar your-application.jar

需要注意生成dump文件可能会很大，耗时较长，且可能会包含用户数据等敏感信息

  1. 分析堆转储文件（Heap Dump）

使用 Memory Analyzer Tool (MAT) / VisualVM 查看内存占用和对象数量和使用情况

  1. 定位问题：查看 MAT 自动生成的内存泄漏报告，重点关注潜在的泄漏对象。使用 OQL 查询特定对象，例如查找所有未被释放的连接对象
    分析对象引用

  2. 解决问题：代码审查 + 优化配置 + 测试验证

  • 确保对象在不再需要时被及时释放。避免不必要的全局变量和静态变量，防止对象长时间持有。
  • 根据应用的特点调整垃圾回收器和堆内存大小。
  • 进行压力测试，模拟高负载场景，验证内存使用情况。

频繁FullGC

首先要先明白什么情况下会触发Full GC:

  • 老年代空间不足: 当老年代的空间不足以容纳从年轻代晋升的对象时，会触发 Full GC
    • 大对象直接进入老年代
    • 当年轻代的空间不足以容纳新创建的对象时，会触发 Minor GC。如果 Minor GC 后仍有大量对象需要晋升到老年代，而老年代空间不足，则会触发 Full GC。
  • 永久代（Metaspace）空间不足
  • 系统显式请求: 调用 System.gc() 方法可能会触发 Full GC

问题排查示例

  1. 通过 JVM 提供的工具（如 jstat, jmap, jvisualvm）或第三方监控工具（如 Prometheus + Grafana, GCeasy 等）来收集和分析垃圾回收的日志。
    重点关注 Full GC 的频率、持续时间和堆内存使用情况。观察是否有明显的 Full GC 频率增加的趋势，以及每次 Full GC 后老年代（Old Generation）的内存占用是否显著下降。

  2. 问题定位: 生成并分析堆转储文件（heap dump），找出哪些对象占据了过多的内存空间，是否存在内存泄漏。

  3. 检查并优化代码：注意是否有不当的对象生命周期管理、大对象分配或缓存滥用等问题。

  • 减少不必要的对象创建。
  • 使用合适的数据结构和算法，避免过度消耗内存。
  • 对象复用，而不是频繁地创建新实例。
  • 及时释放不再使用的资源，如关闭流、断开数据库连接等。
  1. 重复测试，持续监控

代码中可能会出现的问题及解决方案：

  • HashMap缓存未及时清理 : 实现缓存淘汰策略，如 LRU（最近最少使用）、TTL（生存时间），并通过定时任务定期清理过期数据。
  • 循环内连续创建了多个大对象 : 尽量减少大对象的创建频率，考虑使用对象池模式来重用已存在的对象，或者将大对象拆分为更小的部分逐步处理。
  • 使用长生命周期引用（如静态集合） : 为类添加方法来移除不再需要的对象，确保它们可以被正确回收

其他通用解决方案：

  • 调整堆内存大小或调整新生代和老年代的比例: 如果堆内存不足，可以适当增大堆内存。

  • 优化对象的大小，减少大对象的创建，或者增加老年代的内存大小。

  • 增加 Metaspace 的大小, 或者减少类的加载数量

  • 避免在代码中显式调用 System.gc()，除非有特殊需求。

  • 选择合适的垃圾回收器

JVM配置参数

JVM 配置参数种类繁多，涵盖了内存管理、垃圾回收、性能优化等多个方面。以下是一些常用的 JVM 配置参数：

堆内存
  • -Xms：初始堆内存大小。
    -Xms512m
  • -Xmx：最大堆内存大小。
    -Xmx2g
  • -XX:NewRatio：新生代与老年代的比例（默认为 2，即新生代占堆内存的 1/3）。
    -XX:NewRatio=3
  • -XX:NewSize：初始新生代大小。
    -XX:NewSize=256m
  • -XX:MaxNewSize：最大新生代大小。
    -XX:MaxNewSize=512m
  • -XX:SurvivorRatio：Eden 区与 Survivor 区的比例（默认为 8，即 Eden 占新生代的 8/10）。
    -XX:SurvivorRatio=8

堆外内存

  • -XX:MaxDirectMemorySize：最大堆外内存大小。
    -XX:MaxDirectMemorySize=256m

Q16: 什么是 Java 中的 JIT（Just-In-Time）?

  • 答案：JIT 编译器是 JVM 的一部分，用于在运行时将字节码编译成本地机器码，提高执行效率。JIT 编译器会选择热点代码进行编译，减少解释执行的开销。

Q17: 什么是 Java 的 AOT（Ahead-Of-Time）？

  • 答案：AOT 编译器在编译时将 Java 字节码编译成本地机器码，生成可执行文件。AOT 编译可以在启动时减少加载时间，适用于需要快速启动的应用程序。

Q18: 你了解 Java 的逃逸分析吗？

  • 答案：逃逸分析是 JVM 的一种优化技术，用于确定对象的作用域。如果一个对象在方法内部创建并且没有逃逸出该方法，JVM 可以将该对象分配在栈上而不是堆上，减少垃圾回收的压力。

Q26: 什么是 Java 中的 PLAB？

  • 答案：PLAB（Promotion LAB）是 G1 垃圾收集器中的一个概念，用于在 Minor GC 时将新生代的对象提升到老年代。PLAB 是一个局部的内存缓冲区，每个线程都有自己的 PLAB，用于减少多线程环境下的同步开销。
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