JVM基础

章一 JVM基础【基于JDK8及以上】

本文是JVM系列的开篇，从JVM内存模型切入，系统梳理JVM相关的核心知识点。关于JVM的初级内容，如JVM简介与发展历史、架构概览、Java 字节码解析以及类加载机制等，
我们将在后续的详细介绍中逐步展开。本系列将从内存管理的角度深入解读JVM的工作原理，并逐步涵盖垃圾回收机制、性能调优、多线程与并发模型等内容。

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• 章一 JVM【基于JDK8及以上】

  • jvm内存模型
  • 堆内存分配
  • 类加载
  • 逃逸分析
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jvm内存模型

jvm内存模型主要分为：方法区（元空间）,堆内存、程序计数器、栈内存、本地方法栈、直接内存

各区域对比说明

区域	主要存储内容	内存分配位置
程序计数器	当前线程执行的字节码指令地址	jvm内部
方法区(元空间)	方法元数据、jit编译后代码等	本地内存
堆	对象实例、静态变量、运行时常量池	jvm堆内存
栈	每个线程的局部变量、操作数栈	jvm栈内存

1. 程序计数器：每个线程一个独立的程序计数器，用于存储当前线程执行的字节码地址，如果是native方法，计数器为空
2. 方法区：方法区中存储类元数据(类名、修饰符、字段、方法描述等)、运行时常量池、方法字节码等数据
3. 堆内存：应用程序创建的所有对象实例以及JIT编译过程生成的编译代码，是jvm中最大的一块内存区域，使用分代模型

4. 栈内存：内存线程独享，基本类型的变量以及对象应用存在栈内存中

   • 虚拟机栈：每个线程执行方法时的栈帧，每个栈帧包括局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址，方法的调用和结束就是栈帧入栈和出栈的过程
   • 本地方法栈：为本地方法服务的栈帧，即通过JNI调用的c/c++代码

堆内存分配(经典分代收集器)

在不同的Gc中存在各自的内存分配规则，将在后续详细阐述

1. 内存分配区域，主要分为新生代和老年代

   • 新生代

     • eden区：绝大多数对象优先分配到eden区
     • survivor：从eden区晋升的对象复制到survivor区（分为to和from）
   • 老年代：存放生命周期较长或较大的对象，通常是从survivor晋升的对象
   • 堆外内存：某些场景下可以通过DirectByteBuffer或其他工具分配堆外内存

2. 内存分配规则

   • 优先分配到eden区，当eden区内存不足，触发Minor Gc，将eden区对象转移到survivor区，survivor区内存不足，对象移动到老年代

   • 大对象，即需要连续内容空间的对象（大数组或大量字段的对象），直接分配到老年代

     • 通过 -XX:PretenureSizeThreshold设置大对象的阈值，大于该值的对象直接分配到老年代
     • 适用于G1之外的垃圾收集器，例如GMS

   • 对象晋升

     • 对象在survivor区经历一定次数的GC后，会晋升到老年代。标记次数可由参数 -XX:MatTenuringThreshold设置，默认值为15

       • 每经过一次Minor Gc，年龄+1

   • 大量分配

     • 当新生代内存不足，jvm将对象直接分配到老年代，此时会增加老年代内存使用率，易触发Full GC

   • 空间分配担保

     • 在新生代发生Minor Gc前，jvm会检查老年代是否有足够空间，如果空间不足会触发Full Gc
       
3. 相关JVM参数

参数	作用
-Xms/-Xmx	设置堆内存的初始大小和最大值
-XX:NewRatio	设置新生代和老年代比例
-XX:SurvivorRation	设置eden区和Survivor区比例
-XX:PretenureSizeThreshold	设置大对象阈值
-XX:MaxTenuringThreshold	设置对象晋升年龄阈值
-XX:+UseTLAB/-XX:TLABSize	控制TLAB是否启用以及大小

类加载

jvm类加载机制是java虚拟机动态加载类的过程，主要包括类加载、连接、初始化三个阶段

1. 加载

   • 通过类的全限定名获取类的二进制字节，将字节流代表的静态存储结构转化成方法区的运行时数据结构

   • 类加载器

     • 启动类加载器：BootStrap ClassLoader，加载java.*包
     • 扩展类加载器：Extension ClassLoader,加载lib/ext目录或java.ext.dirs系统属性指定目录中的类
     • 应用程序加载器：Application ClassLoader,加载classPath中的类
     • 自定义加载器：用户继承ClassLoader实现

2. 连接

   • 验证：确保字节码文件格式正确，保证jvm安全性
   • 准备：为类的静态变量分配内存，并初始化为默认值
   • 解析：将类、方法、字段的符号引用替换为直接引用，例如常量池中的符号引用解析为具体的内存地址

3. 初始化

   • 初始化阶段对类的静态变量和静态代码快执行显示初始化
   • 执行类的 <clinit>方法，该方法有编译器生成，包含所有静态变量赋值和静态代码块

   • 双亲委派机制

     • 加载类时，先委派给父类加载器进行加载，当无父类加载器时，才由当前加载器尝试加载
     • 该机制可以保证java的核心类库不会被自定义加载器替代，确保jvm的安全性和稳定性

   • 惰性加载

     • 类加载时按需进行，在使用时才加载
     • 类的静态成员，只有在首次访问时才会触发加载

4. 初始化过程

   • 静态变量初始化，jvm在准备阶段为类的所有静态变量分配内存，并初始化默认值，在初始化阶段，会根据代码中指定的值重新赋值

      public class MyClass {
      static int x = 10; // 静态变量赋值
     }

     准备阶段，x=0,初始化阶段，x=10

   • 静态代码块只会在类加载时执行一次

      public class MyClass {
      static {
        System.out.println("Static Block 1");
      }
      static int x = 10;
      static {
        System.out.println("Static Block 2");
      }
     }

     输出结果：1、Static Block 1 2、初始化x=10 3、输出Static Block 2

   • 父类初始化优先于子类

     class Parent {
      static {
        System.out.println("Parent initialized");
      }
     }
     
     class Child extends Parent {
      static {
        System.out.println("Child initialized");
      }
     }
     
     public class Test {
      public static void main(String[] args) {
        Child child = new Child();
      }
     }

     输出：
     Parent initialized
     Child initialized

   • clinit方法：jvm会为类生成特殊的< clinit >方法,包含静态变量的复制操作和静态代码块的内容

逃逸分析

逃逸分析：逃逸分析是jvm的一种优化技术，用于确定一个对象的作用范围，判断该对象是否逃逸出某个特性的范围，如方法或线程，基于逃逸分析的结果，jvm可以对代码进行多种优化，比如栈上分配、标量替换、同步省略等

• 方法逃逸：如果一个对象被一个方法外的其他方法引用，那么该对象即发生逃逸

      public Object createObject() {
         return new Object(); // 对象返回给调用方，发生方法逃逸
   } 

• 线程逃逸

   public void threadEscape() {
      new Thread(() -> {
        System.out.println(this); // 对象在另一个线程中被引用，发生线程逃逸
      }).start();
   }

1. 逃逸分析作用

   • 栈上分配：如果一个对象没有发生逃逸，那么对象可以直接分配在栈上，而不是堆上，可以避免垃圾回收的开销
   • 锁消除：如果一个加锁的对象没有发生逃逸分析，即不会出现锁竞争情况，jvm可以安全的删除锁操作
   • 标量替换：如果对象没有发生逃逸，并且它的内容可以被拆解为多个字段，则可以通过标量替换避免对象创建

2. 如果启用逃逸分析，jvm中逃逸分析默认开启，相关jvm参数如下

   • -XX:+DoEscapeAnalysis:开启逃逸分析
   • -XX:+PrintEscapeAnalysis:打印逃逸分析的结果
   • -XX:+EliminateLocks:启用锁消除
   • -XX:+EliminateAllocations:启用分配优先

3. 逃逸分析风险：当未发生逃逸分析的对象过大时，可能更容易触发栈溢出

   如下代码，未发生逃逸分析，且需要分配较大内存，极易发生栈溢出

   public class StackOverflowExample {
   
       public void recursiveMethod() {
           // 创建一个非常大的对象，但它没有逃逸出方法范围
           int[] largeArray = new int[1024 * 1024]; // ~4MB的栈空间
           recursiveMethod(); // 递归调用
       }
   
       public static void main(String[] args) {
           StackOverflowExample example = new StackOverflowExample();
           example.recursiveMethod();
       }
      }

4. 避免栈溢出

   • 避免在方法中分配过大的局部对象，如果方法中必须分配大对象，需要设置方法返回值
   • 递归方法中，设置结束条件，并且需要避免递归深度，最好不要超过5层
   • 通过jvm参数设置合理栈大小，例如：-Xss2m