Java JVM虚拟机

JVM 知识框架

Java Source File compile 之后生成 .Class文件(字节码文件), .Class文件 Interpret 之后生成 机器码被电脑使用

1. 线程

虚拟机线程：保持JVM位于安全点 (包括 stop-the-word 垃圾回收，线程栈dump，线程暂停，线程偏向锁解除 (biased lock release))

周期性任务线程：负责定时器Event (就是JVM Interrupt)

GC线程：负责 Garbage Collection

编译器线程：负责 Java 中 compiler 的活动

信号分发线程：接收发送到JVM的signal并且调度jvm thread 处理

2. JVM 内存区域

Thread Local 线程私有 (User kernal 用户内核态):

1. pc 程序计数器
2. JVM Stack 虚拟机栈 (JAVA 方法的出栈入栈)
3. Native Method Stack 本地方法栈 (Java Native Method 的出栈入栈; 都是非java语言的方法)

Thread Shared 线程共享 (JVM kernal JVM 内核态):

1. Heap 堆 (Java对象和数组都存放在这，GC发生的地方)
2. Method Area 方法区 (也是永久代，所有constant, static variables; Constant Pool 常量池也在这里)

Direct Memory 直接内存 (Java 整体内存):

1. Meta Data Space 元数据区/元空间 (原来永久代的元空间在java8移到了直接内存中) (GC 垃圾回收不能发生在 Direct Memory)

3. JVM 运行时内存

Young:

1. Eden: New Object 存放的位置
2. Survivor From: 上一次Minor GC留下的内容
3. Survivor To: 这一次Minor GC发生的地方

Old:

又称为 Tenured 永久代

Minor GC:

• 清理 Young (当JVM不能给new object 分配内存空间时会触发 Minor GC)
• 过程又分为--复制，清空和互换
• 复制: 将 Eden 和 Survivor From 中的内容复制到 Survivor To, 准备 Minor GC
• 清空: 清空 Eden 和 Survivor From 中的内容
• 互换: 将 Survivor To 中的内容 和 Survivor From 中的内容互换, 即将Minor GC 结果存入 Survivor From

Major GC:

• 清理 Old (一般 执行 Major GC 都伴随着一次 Minor GC 的完成)
• 过程使用 标记清除算法 (mark-sweep)

Full GC: Minor GC + Major GC

4. 常用GC算法

确定 Gabage 的方法

1. Reference Counting 引用计数法 (如果 Object 的 Reference-Counting =0；那么这个Object 不会被用到，即可回收)
2. GC Roots 可达性分析 (如果 GC-Roots 到达不了Object, 证明Object 不可达; 再经过2次标记过程，即可回收)

Gabage Collection 方法

1. Mark-Sweep 标记清除 --- 标记不用的内存块并清除 (缺点: 内存碎片化严重)
2. Copying 复制 --- 将整个内存一分为二，先用一半，内存满了之后吧还在使用的内存复制到另一半上 (缺点: 效率不高)
3. *Mark-Compact 标记整理 --- 标记不用的内存然后把仍然需要使用的内存块移到内存的一侧上，让内存不再碎片化
4. *Generational Collection 分代收集 --- 将内存分为 Young 和 Old 并进行分代收集

• Young 区收集 (使用 Copying，因为每次要回收大量Object, 所以用 Copying效率更高) (使用Copying实现minorGC流程)
• Old 区收集 (使用 Mark-Compact，因为每次要回收少量Object，所以用Mark-Compact效率更高)(用Mark-Compact实现MajorGC流程)

5. Java 中的四种引用类型(强引用, 软引用, 弱引用, 虚引用)-- 在 引用计数法中使用

4种引用的比较

 // 强引用
 String strongReference = new String("abc");
 // 软引用
 String str = new String("abc");
 SoftReference<String> softReference = new SoftReference<String>(str);
 // 弱引用
 WeakReference<String> weakReference = new WeakReference<>(str);
 // 弱引用转强引用
 String strongReference = weakReference.get();
 // 创建虚引用，要求必须与一个引用队列关联
 ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
 PhantomReference pr = new PhantomReference(str, queue);

6. GC分代收集 对比 分区收集

GC分代收集：在 Young 中使用 Copying, 在 Old 中使用 Mark-Sweep 或者 Mark-Compact

分区收集：把整个Heap分为很多小空间，每个小空间独立使用，独立GC；减少GC产生的停顿

7. GC垃圾收集器

1. Serial 垃圾收集器 (单线程 + Copying算法) ：运行时需要暂停其他工作Thread
2. ParNew 垃圾收集器 (多线程 + Serial收集器)：运行时也需要暂停其他工作Thread
3. Parallel Scavenge 垃圾收集器 (多线程 + Copying算法)：focus on Program的高吞吐量；有自适应调节策略
4. Serial Old 垃圾收集器 (单线程 + Mark-Compact)(Serial 老年代版本)：运行时需要暂停其他工作Thread
5. Parallel Old 垃圾收集器 (多线程 + Mark-Compact)(Parallel Scavenge 老年代版本)：高吞吐量；有自适应调节策略
6. CMS 垃圾收集器 (多线程 + Mark-Sweep)：全称：Concureent Mark-Sweep，有最短的GC停顿时间；流程如下

初始标记：暂停所有工作Thread，Mark所有GC Roots标记到的Objects

并发标记：不暂停工作Thread，与工作Thread同时进行 GC Roots

重新标记：并发标记会有误差，关闭所有工作Thread进行重新标记

并发清除：不暂停工作Thread，与工作Thread同时进行 清除 GC Roots 不可达Objects

7. G1 垃圾收集器 : 优点：基于Mark-Compact不产生内存碎片；低GC停顿时间；因为是分区域GC所以效率最高

8. JAVA IO/NIO

• 字节流 (InputStream, OutputStream)；字符流 (Read, Write)

1. Java 多线程I/O模型

• Blocked I/O 阻塞 I/O 模型： 用 阻塞的方式实现多线程
• Non-Blocked I/O 非阻塞 I/O 模型：不阻塞的方式实现多线程，需要一直询问kernel是否ready, CPU占用高
• 多路复用 I/O 模型：NIO使用多个User Thread去询问kernel，而多路复用 I/O 只使用一个 User Thread
• 信号驱动 I/O 模型：kernel 向 User Thread 发送一个信号，让 User Thread 进行 Read/Write
• Async I/O 异步 I/O 模型：异步使用，最高效

2. Java NIO (I/O 是面向 Stream 的，NIO 是面向 Buffer 的)

JAVA I/O

JAVA NIO

• Channel --- I/O中的InputStream,OutputStream 是单向的，FileChannel, DatagramChannel, SocketChannel 等
• Buffer --- NIO 中的缓存数组, ByteBuffer, IntBuffer, CharBuffer, LongBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer 等
• JavaJatu--- 监听 NIO 的 Channel 上是否发生 Event, 如果发生则进行响应处理

9. JVM 类加载机制

1. 加载: 将 机器码加载变成 Java Class 也就是 Java 类
2. 验证: 验证生成的Java 类是否正确是否可用
3. 准备: 给 Java 类中的 static variables 分配内存, 分配默认值
4. 解析：把 Constant Pool 中的 符号引用全部换成直接引用

• 符号引用：就是没有指针指向Heap 中的 Object
• 直接引用: 有指针指向 Heap 中的 Object

5. 初始化: 给 Java 类中的 static variables 分配初始值

不会执行 类初始化的情况:

• 当 Java 类 中存在父子类，只有 父类会初始化，子类不会初始化
• Array Object 不会初始化
• Class.forName 反射可以设置不初始化

10. JVM 类加载器

• BootStrap ClassLoader：加载 JAVA_HOME/lib 中的类
• Extension ClassLoader：加载 JAVA_HOME/lib.ext 中的类
• Application ClassLoader：加载 ClassPath 即用户路径中的类
• 双亲委派：当子类要进行类加载，会请求父类先加载，如果父类无法加载完成，子类才自己加载
• OSGI 动态模型系统 (Open Service Gateway Initiative): 让 Java 项目模块化