《JVM》第二篇 JVM内存模型深度剖析与优化

一. JDK体系结构与跨平台特性介绍

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二. JVM内存模型深度剖析

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按照线程是否共享来划分

TLAB(Thread Local Allocation Buffer)线程本地分配缓存区,这是一个线程专用的内存分配区域
由于对象一般会分配在堆上，而堆是全局共享的。因此在同一时间，可能会有多个线程在堆上申请空间。因此，每次对象分配都必须要进行同步,在竞争激烈的场合分配的效率又会进一步下降, JVM使用TLAB来避免多线程冲突，在给对象分配内存时，每个线程使用自己的TLAB，这样可以避免线程同步，提高了对象分配的效率
JVM内存模型清晰版(结合代码分步解析)

public class Math {private static final int INIT_DATA = 666;private static User user = new User();public int compute(){int a = 1;int b = 2;int c = (a + b) * 10;return c;}public static void main(String[] args) {Math math = new Math();int compute = math.compute();System.out.println(compute);}
}

拿Math类来解释执行步骤:
当执行Math类的main方法时,会在JVM栈内存中开辟一块内存区域,程序运行main方法,在新开辟的内存区域中开辟一块栈帧内存区域,并且压入栈底,此栈帧区域中包含许多小的内存区域;如:局部变量表,操作数栈,动态链接,方法出口… 通过每一行代码的执行来解析

程序执行main方法中的Math math = new Math()
先执行了Math类的无参构造方法,然后将Math类的静态常量至于JVM的方法区中,并且赋值,User对象存于JVM的堆内存中,方法区中存的是User对象在堆内存中的地址;initData存于方法区中,并且赋值666;
main方法的栈帧内存区域中,开辟一块新的内存区域局部变量表,将math对象存于JVM堆内存中,并且将堆中的地址放到局部变量表中
程序执行int compute = math.compute()
在栈线程中新开辟一个compute方法的栈帧内存区域,采用后进先出的原理,compute()方法的栈帧区域在main栈帧区域上面;
1. 执行int a = 1,先在栈帧区域中开辟一块内存区域局部变量表,将局部变量a放入,并赋初始值0,然后再将1赋值给a
2. 执行int b = 2,将局部变量b放入局部变量表中,并赋初始值0,然后再将2赋值给b
3. 执行int c = (a + b) * 10,开辟一个新的内存区域操作数栈,并且放入一个待操作的数10,并且从局部变量表中获取a和b的值放入操作数栈中,然后出栈执行运算,并将运算得到的结果30压入操作数栈中, 此时的操作数栈只有30一个数据
4. 执行return c, main方法中执行math.compute()时,会在compute()方法栈帧内存区域中开辟一个新的内存区域方法出口,记录main方法中调用的位置,以便compute()方法执行完后,将结果返回到main方法中的代码执行位置

3. 总结

当一个线程开始运行时,会在JVM的栈内存空间中开辟一个区域供线程运行使用
new出来的对象是存在堆内存空间中,栈中只存对象在堆中的位置地址
方法区,记录线程中涉及的一些常量,静态变量和类信息,其中对象常量或者静态变量存的都是对象在堆中的位置地址
先进后出,如: 先执行的main方法,main的栈帧内存空间在线程栈的栈底,而main方法中调用的comput的栈帧区域在main的上部,从代码流程上看,调用的方法肯定是先执行完,所以后进入线程栈空间的comput栈帧,会先被GC销毁
一个方法对应一个栈帧区域
程序计数器:是用于存放下一条指令所在单元的地址的地方(记录当前线程执行到哪行代码了), 做标记
本地方法栈: 一个线程调用Java方法或者本地方法时的栈

栈帧成员	说明
局部变量表	一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内定义的局部变量,容量以变量槽(Variable Slot)为最小单位,一个槽可以存放一个32位的数据,局部变量表存放的都是变量在方法区中位置,JVM是通过索引定位的方式查找对应的变量
操作数栈	也称操作栈,是一个后入先出栈(FILO),当一个方法刚刚开始执行时,其操作数栈是空的，随着方法执行和字节码指令的执行,会从局部变量表或对象实例的字段中复制常量或变量写入到操作数栈，再随着计算的进行将栈中元素出栈到局部变量表或者返回给方法调用者,也就是出栈/入栈操作。一个完整的方法执行期间往往包含多个这样出栈/入栈的过程。
动态链接	在一个class文件中，一个方法要调用其他方法,需要将这些方法的符号引用转化为其在内存地址中的直接引用,而符号引用存在于方法区中的运行时常量池。Java虚拟机栈中,每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈所属方法的符号引用,持有这个引用的目的是为了支持方法调用过程中的动态连接(Dynamic Linking)。这些符号引用一部分会在类加载阶段或者第一次使用时就直接转化为直接引用,这类转化称为静态解析。另一部分将在每次运行期间转化为直接引用,这类转化称为动态连接
方法出口	有两种方式,正常完成出口,异常完成出口 ①正常完成出口:指方法正常完成并退出,没有抛出任何异常,如果当前方法正常完成,则根据当前方法返回的字节码指令,这时有可能会有返回值传递给方法调用者(调用它的方法),或者无返回值。具体是否有返回值以及返回值的数据类型将根据该方法返回的字节码指令确定。 ②异常完成出口:指方法执行过程中遇到异常,并且这个异常在方法体内部没有得到处理,导致方法退出。补充说明:无论方法采用何种方式退出,在方法退出后都需要返回到方法被调用的位置,程序才能继续执行。方法退出过程实际上就等同于把当前栈帧出栈,因此退出可以执行的操作有：恢复上层方法的局部变量表和操作数栈,把返回值(如果有的话)压如调用者的操作数栈中，调整PC计数器的值以指向方法调用指令后的下一条指令。

三. 从Jvisualvm来研究下对象内存流转模型

当线程执行时,会产生大量的对象,这些对象一开始会放在堆内存空间的Eden区域中,当Eden区域达到内存峰值时,会触发Minor GC进行垃圾回收,未回收的对象被称为非垃圾对象,会移到s0区域中,并且这些对象的分代年龄增加1。
当Eden区域再次达到内存峰值时,再次触发Minor GC进行垃圾回收,此时的Minor GC不仅会扫描Eden区域,而且还会扫描s0区
当Eden区域又达到内存峰值时, Minor GC会扫描Eden区域,s0和s1区域,并且将非垃圾对象移到s0区域,对象的分代年龄加1。
s0和s1区域的对象会相互转移,当对象的分代年龄达到15时,会移到老年代区域中,当老年代区域达到内存峰值时,会触发Full GC,扫描整个JVM的堆内存区域和方法区,当Full GC都无法阻止老年代区域被填满,就会报OOM(内存溢出)

演示对象在堆内存各分代区域中的流转:

public class HeapTest {byte[] a = new byte[1024*100];  //100kbpublic static void main(String[] args) throws InterruptedException {List<HeapTest> heapTests = new ArrayList<>();while (true){heapTests.add(new HeapTest());Thread.sleep(10);}}
}

最后代码执行结果
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由于HeapTests对象一直是非垃圾对象,所以GC无法回收,所以Eden、S0、S1的对象在经过一次次的GC,分代年龄一直增加,直到将老年代的内存区域撑爆,最终OOM内存溢出。

执行jvisualvm命令,打开JDK自带的监控工具
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四. GC Root与STW机制

当执行Minor GC或者Full GC时,会执行STW(停止整个事件),停止用户所有线程,GC执行完,再恢复。

★GC过程中为什么会执行STW机制?
因为如果不执行STW,一边进行GC,一边线程继续执行,那么当线程执行完时,会进行
出栈操作,所有在栈中开辟的内存区域全部释放,而GC无法处理的非垃圾对象此时没
有引用,而会被GC当作垃圾对象清理,在现实的生产环境中,这显然是不允许的。
JVM优化,就是减少Full GC和Minor GC的次数
尽可能让对象都在新生代里分配和回收,尽量别让太多对象频繁进入老年代,避免频繁对老年代进行垃圾回收,同时给系统充足的内存大小,避免新生代频繁的进行垃圾回收。

五. JVM参数设置通用模型

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Spring Boot程序的JVM参数设置格式(Tomcat启动直接加在bin目录下catalina.sh文件里)：
java ‐Xms2048M ‐Xmx2048M ‐Xmn1024M ‐Xss512K ‐XX:MetaspaceSize=256M ‐XX:MaxMetaspaceSize=256M ‐jar microservice‐eurek a‐server.jar
关于元空间的JVM参数有两个：-XX:MetaspaceSize=N和 -XX:MaxMetaspaceSize=N
-XX:MaxMetaspaceSize:设置元空间最大值,默认是-1,即不限制,或者说只受限于
本地内存大小。
-XX:MetaspaceSize:指定元空间触发Full GC的初始阈值(元空间无固定初始大小)，
以字节为单位,默认是21M,达到该值就会触发Full GC进行类型卸载
同时收集器会对该值进行调整:如果释放了大量的空间,就适当降低该值；
如果释放了很少的空间,那么在不超过-XX：MaxMetaspaceSize（如果设置了的话)的情况下,适当提高该值。这个跟早期JDK版本的-XX:PermSize(代表永久代的初始容量)参数意思不一样，
由于调整元空间的大小需要Full GC,这是非常昂贵的操作,如果应用在启动的时候
发生大量Full GC,通常都是由于永久代或元空间发生了大小调整,基于这种情况,一般建议在JVM参数中将MetaspaceSize和MaxMetaspaceSize设置成一样的值,并设置得比初始值要大,对于8G物理内存的机器来说,一般会将这两个值都设置为256M