Java之虚拟机

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Java虚拟机是Java Virtual Machine的缩写,Java程序需要运行在虚拟机上,不同的平台有自己的虚拟机,因此Java语言可以实现跨平台。

JVM包含两个子系统和两个组件,两个子系统为Class loader(类装载)、Execution engine(执行引擎);两个组件为Runtime data area(运行时数据区)、Native Interface(本地接口)

  • Class loader(类装载):根据给定的全限定名类名(如:java.lang.Object)来装载class文件到Runtime data area中的method area。
  • Execution engine(执行引擎):执行classes中的指令。
  • Native Interface(本地接口):与native libraries交互,是其它编程语言交互的接口。
  • Runtime data area(运行时数据区域):这就是我们常说的JVM的内存。

为了对Java虚拟机内存高效的管理,Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有个自己的用途、以及创建和销毁的时间。根据《Java虚拟机规范》的规定,Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域:程序计数器java虚拟机栈本地方法栈Java堆运行时常量池直接内存img

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间,它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里,字节码解释器工作时就是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,它是程序控制流的指示器,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的,在任何一个确定的时刻,一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一条线程中的指令。因此,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各条线程之间计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存

如果线程正在执行的是一个Java方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是本地方法,这个计数器值则为空。此内存区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域

Java虚拟机栈

与程序计数器一样,Java虚拟机栈也是线程私有的,它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型:每个方法被执行的时候,Java虚拟机都会同步创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程,就对应着一个栈帧的虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译器可知的各种Java虚拟机基本数据类型、对象引用、和returnAddress。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽来表示,其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽,其余的数据类型只占用了一个。**局部变量表所需要的内存空间在编译期间完成分配,当进入一个方法时,这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

在《Java虚拟机规范》中,对这个内存区域固定了两类异常状况:如果线程请求的栈深度大于虚拟机锁允许的深度,将抛出StackOverflowError异常;如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展,当栈扩展无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地(Native)方法服务。

《Java虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规定,因此具体的虚拟机可以根据需要自由实现它,甚至有的Java虚拟机(譬如HotSpot虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。和虚拟机栈一样,本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。在《Java虚拟机规范》中对Java堆的描述是:“所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配”,这里之所以用“几乎“是指从实现角度来看,随着Java语言的发展,现在已经能看到些许迹象表明日后可能出现值类型的支持,及时只考虑现在,由于即时编译技术的进步,尤其是逃逸分析技术的日渐强大,栈上分配、标量替换优化手段已经导致一些微妙的变化悄然发生,所以说Java对象实例都分配在堆上也渐渐不是那么绝对了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要内存区域(但不是唯一区域),因此一些人也称它为“GC堆”。从垃圾回收的角度看,由于现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的,所以Java堆中经常会出现“新生代”,“老年代”,“永久代”等名词,需要说明的是这些区域划分仅仅是一部分垃圾收集器的共同特性或者说设计风格而已,而非某个Java虚拟机具体实现的固有内存布局,更不是《Java虚拟机规范》里对Java堆的进一步细致划分。

如果从分配内存的角度看,所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区(TLAB),以提升对象分配时的效率。无论从什么角度,无论如何划分,都不会改变Java堆中存储内容的共性,无论是哪个区域,存储的都只能是对象的实例,将Java堆细分的目的只有为了更好地回收内存,或者更快的分配内存。

根据《Java虚拟机规范》规定,Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中,但在逻辑上它该被视为连续的。但对于大对象(典型的如数组对象),多数虚拟机实现处于实现简单、存储高效的考虑,很可能会要求连续的内存空间。

Java堆既可以被实现成固定大小的,也可以是可扩展的,不过主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx和-Xms设定)。如果在Java堆中没有内存可用于完成实例分配,并且堆也没法再扩展时,Java虚拟机就会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区和Java堆一样是各个线程共享的区域,它用于存储一杯虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。虽然《Java虚拟机规范》中把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫做 “非堆”,目的是与Java堆区分开来。

说到方法区,不得不提一下“永久代”,尤其是在JDK8之前,很多习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的程序员都更愿意把方法区称为“永久代”。本质上这两者并不是等价的,因为仅仅是当时的HotSpot虚拟机设计团队选择把收集器的分代设计扩展至方法区,或者说使用永久代来实现方法区而已,这样使得HotSpot的垃圾收集器能够像管理Java堆一样管理这部分内存,省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。但是对于其他的虚拟机实现,可能并不存在永久代的概念。原则上如何实现方法区属于虚拟机实现细节,不受《Java虚拟机规范》管束,并不要求统一。现在来看,当初使用永久代来实现方法区并不是一个好主意,这种设计导致Java应用更容易出现内存溢出的问题(永久代有-XX:MaxPermSize的上限,即使不设置也有默认大小)。而且有极少数方法(如String::intern())会因为永久代的原因而导致不同的表现。考虑到HotSpot未来的发展,在JDK6的时候HotSpot团队就有放弃永久代,逐步改为采用本地内存来实现方法区的计划,到了JDK7的HotSpot,已经把原来放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出,而到了JDK8,终于完全废弃了永久代的概念,改用在本地内存中实现的元空间来代替,把JDK7中永久代还剩余的内容(主要是类信息)全部移到元空间中。

《Java虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的,除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外,甚至还可以选择不实现垃圾收集。相对来说,垃圾收集器在这个区域的确比较少出现,但并非数据进入了方法区就如永久代的名字永久存在了。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载,一般来说这个区域的回收效果比较难令人满意,尤其是类型的卸载,条件相当苛刻,但是这部分区域的回收有时又确实是必要的

根据《Java虚拟机规范》的规定,如果方法区无法满足新的内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池

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、接口等描述信息外,还有一项信息是常量池表,用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用,这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

Java虚拟机对于Class文件每一部分(自然包括常量池)的格式都有严格规定,如每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、加载和执行,但对于运行时常量池,《Java虚拟机规范》并没有做任何细节的要求,不同提供商实现的虚拟机可以按照自己的需求来实现这个内存区域,一般来说,除了保存Class文件中描述的符号引用外,还会把由符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另一个重要特征是具备动态性,Java语言并不要求常量一定只有编译器才能产生,也就是说,并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可以将新的常量放入池中,这种特性被利用比较多的是String类的intern()方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分,自然受到方法区内存的限制,当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

直接内存

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。但是这部分内存也被频繁地使用,而且也可能导致OutOfMemoryError异常。

在JDK1.4中新加入NIO类,引入了一种基于通道和缓冲区的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堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提升性能,因为避免了再Java堆和Native堆中来回复制数据。

显然,本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制,但是,既然是内存,则肯定还会受到本机总内存(包括物理内存、SWAP分区或者分页文件)大小以及处理器寻址空间的限制,所以要切记,在设置Java堆内存参数时,一定不要忽略直接内存的存在,否则就可能使得各个区域总和大于物理内存限制(包括物理的和操作系统的限制),从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常

HotSopt中对象的创建

Java是一门面向对象的变成语言。在语言层面上,创建对象通常仅仅是一个New关键字而已,而在虚拟机中,对象(这里仅限于普通的java对象,不包括数组和Class对象等)的创建是怎样的一个过程呢?

当Java虚拟机遇到一条字节码new指令时,首先将先检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用,并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化。如果没有,那必须先执行相应的类加载过程(这个后面会详细讲解)。

在类加载检查通过后,接下来虚拟机将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以完全确定,为对象分配空间的任务实际上等同于把一块确定大小的内存块从Java堆中划分出来。 内存分配分为两种方式

  • 如果Java堆中内存是绝对规整的,所有被使用过的内存都被放到一边,空闲的内存被放在另一边,中间放着一个指针作为分界点的指示器,那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离,这种分配方式称为指针碰撞
  • 如果Java堆中的内存并不是规整的,已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起,那就没办法进行简单的指针碰撞了,虚拟机需要维护一个列表,记录上哪些内存块是可用的,在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例,并更新列表上的记录,这种分配方式称为空闲列表

选择哪种分配方式是由Java对是否规整决定的,而Java对是否规整又由锁采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理的能力决定。因此,当使用Serial、Parnew等带压缩整理过程收集器时,系统采用的分配算法是指针碰撞,既简单又高效;而当使用CMS这种基于清除算法的收集器时,理论上就只能采用较为复杂额空间列表来分配内存了。

除了考虑如何划分可用空间外,还有另外一个问题需要考虑:对象创建在虚拟机中是非常频繁的,即使仅仅修改一个指针所指向的位置,在并发情况下也并不是线程安全的。解决这个问题有两种可选方案:一种是对分配内存空间的动作进行同步处理----实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性;另一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行,即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存,称为本地线程分配缓冲(TLAB),哪个线程要分配内存,就在哪个线程的本地缓冲区中分配,只有本地缓冲区用完了,分配新的缓存区时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB,可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。

内存分配完成之后,虚拟机必须将分配到的内存空间(不包括对象头)都初始化为零值,如果使用了TLAB的话,这项工作也可以提前到TLAB分配时顺便进行。这不操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用,使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

接下来,Java虚拟机还要对对象进行必要的设置。例如这个对象是哪个类的实例,如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象头中。

上面的工作完成后,从虚拟机的角度来看,一个新对象已经产生了。但是从Java程序的角度看,对象创建才刚刚开始----构造函数,即Class文件中的init方法还没有执行,所有的字段都为默认的零值,对象需要的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构造好。一般来说,new指令之后会接着执行init方法,按照我们的意愿对对象进行初始化,这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

对象访问定位

创建对象自然是为了后续使用该对象,我们的Java程序会通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在《Java虚拟机规范》里面只规定了它是一个指向对象的引用,并没有定义这个引用应该通过什么方式定位、访问到堆中对象的具体位置,所以对象访问方式也是有虚拟机实现而定的,主流的访问方式主要有使用句柄直接指针两种:

  • 如果使用句柄访问的话,Java堆中将可能会划分出一块内存来作为句柄池,reference中存储的就是对象的句柄地址,而句柄中包含了对像实例数据与类型数据各自具体的地址信息。
  • 如果使用直接指针访问的话,Java堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息,reference中存储的直接就是对象地址,如果只是访问对象本身的话,就不需要多一次间接访问的开销。 这两种方式各有优势:使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定句柄地址,在对象被移动(垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为)时只会改变句柄中的实例数据指针,而reference本身不需要被修改。 使用直接访问最大的好处是速度更快,它节省了一次指针定位的时间开销,由于对象访问在Java中非常频繁,因此这类开销积少成多也是很可观的执行成本,就HotSpot而言,它主要使用了直接访问方式进行对象访问。

Java之虚拟机类加载机制 Java之虚拟机垃圾收集器 Java之虚拟机内存模型

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