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什么是JVM
JVM(Java Virtual Machine)原名Java虚拟机#xff0c;是一个可以执行Java字节码的虚拟计算机。它的作用是在不同平台上实现Java程序的跨平台运行#xff0c;即使在不同的硬件…JVM
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什么是JVM
JVM(Java Virtual Machine)原名Java虚拟机是一个可以执行Java字节码的虚拟计算机。它的作用是在不同平台上实现Java程序的跨平台运行即使在不同的硬件和操作系统上也能保持一致的行为。
JVM的结构和组成
JVM由类加载器、执行引擎、内存区域、本地方法接口等组成。
类加载器(ClassLoader)负责将java类文件加载到JVM中。Java类的加载过程分为加载、连接和初始化三个阶段。在加载阶段类加载器将字节码文件加载到JVM中并生成一个唯一的类标识符(Class Identifier)来代表该类。在连接阶段JVM会将类的字节码文件校验、准备和解析为可以被JVM使用的数据结构。在初始化阶段JVM会执行类的静态代码块完成类的初始化工作。执行引擎(Execution Engine)负责执行Java字节码文件。它将字节码文件解释为机器码或直接编译成本地代码来执行。在执行过程中执行引擎会通过调用Java类库中的方法来实现不同的功能。内存区域(Memory Area)JVM将内存划分为不同的区域用于存放不同类型的数据。主要包括程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆区、方法区等。程序计数器用于记录当前线程执行的字节码指令的地址虚拟机栈用于存放方法的调用栈帧以及方法参数、局部变量等数据本地方法栈用于支持本地方法的执行堆区用于存放对象实例和数组等数据方法区用于存储类的信息、常量池、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。本地方法接口(Native Interface)允许Java代码调用本地代码。本地代码是指使用其他语言编写的代码例如C、C等。Java程序可以通过本地方法接口调用本地代码实现更高效的计算和与外部系统的交互。
虚拟机类加载机制
Java虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存并对数据进行校验、转换解析和初始化最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型这个过程被称为虚拟机的类加载机制。
类加载器
Java虚拟机设计团队有意把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名称来获取描述该类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部实现以便让应用程序自己决定如何去获取所需的类。实现这个动作的代码被称为“类加载器”(Class Loader)。
类和类加载器
对于任意一个类都必须由类加载器和这个类本身一起共同确定其在Java虚拟机的唯一性每一个类加载器都拥有一个独立的类名称空间。意思是比较两个类是否“相等”只要这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义否则即使这两个类来源同一个Class文件被同一个Java虚拟机加载只要加载他们的类加载器不同那这两个类必然不相等。
相等包括Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果也包括使用instanceof关键字作为对象所属关系判定等多种情况。
/*** 类加载器和instanceof*/
public class ClassLoaderTest {public static void main(String[] args) throws Exception {ClassLoader myClassLoader new ClassLoader() {Overridepublic Class? loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {String fileName name.substring(name.lastIndexOf(.) 1) .class;InputStream is getClass().getResourceAsStream(fileName);if (is null){System.out.println(资源没有读取到);// // ClassLoaderTest之后还会加载java.lang.Object、java.lang.ClassLoader、匿名内部类加载(能找到)return super.loadClass(name);}try {byte[] b new byte[is.available()];is.read(b);return defineClass(name,b,0,b.length);} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}};Object obj myClassLoader.loadClass(org.javaboy.vhr.ClassLoaderTest).newInstance();System.out.println(obj.getClass());System.out.println(obj instanceof org.javaboy.vhr.ClassLoaderTest);}
}
双亲委派模型
站在Java虚拟机的角度来看只存在两种不同的类加载器一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)这个类加载使用C语言实现(HotSpot书281)是虚拟机的一部分另外一种就是其他的所有的类加载器这些类加载器都是由Java语言实现独立存在于虚拟机外部并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader。
自JDK1.2以来Java一直保持者三层类加载器、双亲委派的类加载结构尽管这套架构在Java模块化系统出现后有了一些调整变动但依然没有改变其主体结构。
JDK8及之前版本所使用的三层类加载器
启动类加载器(Bootstrap Class Loader)这个类加载器负责加载存放在JAVA_HOME\lib目录或者-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的而且是Java虚拟机能够识别的(按照文件名识别如rt.jar、tools.jar名字不符合的类库即使放到lib目录下也不会被加载)类库加载到虚拟机的内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用用户在编写自定义类加载器时如果需要把请求给启动类加载器去处理那么直接使用null代替即可。扩展类加载器(Extension Class Loader)这个类加载器时在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader中以Java代码实现。负责加载JAVA_HOME\lib\ext目录中或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路劲中的所有类库。应用程序类加载器(Application Class Loader)这个类加载器时由sun.miscLauncher$AppClassLoader来实现。负责加载classpath或java.class.path指定目录的类库。这个类加载器是ClassLoader类中getSystemClassLoader()方法的返回值。
双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外其余的类加载器都应有自己的父类加载器。不过这里的类加载器之间的父子关系不是以继承(Inheritance)的方式实现的而是通常以组合(Composition)关系来复用父加载器的代码。
双亲委派模型的工作过程是如果一个类加载器收到了类加载的请求它首先不会自己尝试去加载这个类而是把这个请求委派给父类加载器去完成每一个层次的类加载器都是如此因此所有的加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载器中只有当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求(它的搜索范围中没有找到所需的类)时子加载器才会尝试自己去完成加载。
使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系一个显而意见的好处就是Java中的类随着他的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object它存在rt.jar包中无论哪一个类加载器去加载这个类最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载因此Object类在程序的各种类加载器环境中都能保证是同一个类。反之如果没有使用双亲委派模型都由各个类加载器自行去加载的话如果用户自己也编写了一个名为java.lang.Object的类并放在程序的ClassPath下那系统就会出现多个不同的Object类Java类型体系中最基本的行为也无法保证应用程序会变得混乱。
实现双亲委派模型的代码
protected Class? loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException{// 加锁synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// 首先检查类是否已经加载Class? c findLoadedClass(name);if (c null) {long t0 System.nanoTime();try {if (parent ! null) {c parent.loadClass(name, false);} else {// parent为null代表它的父类是根加载器c findBootstrapClassOrNull(name);}} catch (ClassNotFoundException e) {// 如果没有从非空父类加载器中找到类则抛出ClassNotFoundException}if (c null) {// 如果仍未找到则调用findClass来查找该类。long t1 System.nanoTime();c findClass(name);// this is the defining class loader; record the statssun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();}}if (resolve) {resolveClass(c);}return c;}
}
自定义类加载器
自定义类加载器可以实现一些特殊的需求例如实现类的动态加载、实现类的隔离性、实现类的热替换等。
JDK1.2之前就有了就有了类加载器的概念和抽象类java.lang.ClassLoader就有了JDK1.2之后才被引入双亲委派模型。设计者为了引入双亲委派模型不得不作出一些妥协为了兼容已有的代码无法再以技术手段避免loadClass()被子类覆盖的可能性只能在JDK1.2之后的java.lang.ClassLoader中添加一个新的protected方法findClass()并引导用户编写类加载逻辑时尽可能去重写这个方法而不是在loadClass方法中编写代码。
类加载执行过程
加载类加载器首先会检查是否已经加载了该类如果已经加载了该类则直接返回该类的Class对象如果没有加载该类则继续执行下一步操作。连接连接分为三个阶段分别是验证、准备、解析。 3. 验证阶段验证该类是否符合Java虚拟机规范主要检查该类文件的格式、语法和语义等方面。 4. 准备阶段为该类的静态变量分配内存并设置默认值。 4. 解析阶段将该类的符号引用转换为直接引用。初始化类加载器会执行类的初始化代码包括静态变量初始化和静态代码块的执行等。
类的初始化
《Java虚拟机规范》中并没有对什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段“加载”进行强制约束但是对于初始化阶段《Java虚拟机规范》则是严格规定了有且仅有六种情况必须对类进行“初始化”(加载、验证、准备自然需要在此之前开始)
遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic这四条字节码指令如果类型没有进行过初始化则需要先触发其初始化阶段。使用java.lang.reflect包的方法对类型进行方式调用的时候如果类型没有进行过初始化则需要先触发其初始化阶段。当初始化类的时候如果父类还没有进行过初始化则需要先触发其父类的初始化。当虚拟机启动时用户指定的主类(包含main方法的类)虚拟机会先初始化这个主类。使用JDK7新加入的动态语言支持java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial四种类型的方法句柄。当一个接口中定义了JDK8新加入的默认方法如果有这个接口的实现类发生了初始化则这个接口先初始化。
类的初始化时类加载的最后一个步骤Java虚拟机真正开始执行类中编写的代码(static{}块)。Java类中有变量的初始化或者静态代码块就会由Javac编译生成()方法初始化阶段就是执行该方法的过程。如果一个类中没有对变量的赋值也没有静态代码块则编译器可以不为这个类生成()方法接口不能有静态代码块但是没有变量赋值也是不会有()方法。接口与类的不同是只有父接口定义的变量被使用时父接口才会被初始化。Java虚拟机在执行一个类的()方法在多线程下是安全的只有一个线程会去执行这个类的方法。
class DeadLockClass{static{if(true){System.out.println(Thread.currentThread().getName() init DeadLockClass );while(true){}}}public static void main(String[] args){Runnable script new Runnable(){public void run(){System.out.println(Thread.currentThread().getName() start);DeadLockClass dlc new DeadLockClass();System.out.println(Thread.currentThread().getName() end);}};Thread t1 new Thread(script);Thread t2 new Thread(script);t1.start();t2.start();}
}
发生类初始化的情况
用new创建一个对象、反射创建对象读取或者设置一个类型的静态字段(被final修饰的静态字段不算)调用一个类型的静态方法使用java.lang.reflect包的方法对类型进行放射调用(当调用时才会触发如获取属性值执行方法)虚拟机启动main方法所在的类子类进行初始化父类还没有被初始化Class.forName
不会发生类初始化的情况
通过子类访问父类的静态域不会初始化子类通过数组定义类的应用(Myuser[] users new MyUser[10]对常量的引用
JVM内存模型
JVM的内存模型是指Java虚拟机在运行Java程序时所使用的内存模型 程序计数器
程序计数器是一块较小的内存空间它用于指示当前线程所执行的字节码指令的地址。在多线程的情况下每个线程都拥有自己的程序计数器用于存储当前线程的执行地址。
Java虚拟机栈
Java虚拟机栈是线程私有的用于存储Java方法执行的栈帧。每个栈帧包含了局部变量表、操作数栈、动态链接、返回地址等信息用于支持Java方法的调用和执行。
内存区域有两种异常
线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度将抛出StackOverflowError异常如果Java虚拟机允许栈容量可以动态扩展当栈的扩展无法申请足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常
Java堆
Java堆是Java虚拟机所管理的最大的一块内存空间用于存储Java对象和数组。Java堆可以分为新生代和老年代两部分其中新生代又分为Eden区和两个Survivor区。
方法区
方法区用于存储类的元数据信息包括类的名称、方法、字段等信息。方法区可以用于实现动态代理、反射等功能。
本地方法栈
本地方法栈与Java虚拟机栈类似但是它用于存储本地方法的执行栈帧。
JVM的沙箱安全机制
JVM的沙箱安全机制是指在Java程序运行时Java虚拟机会限制程序的执行权限防止恶意代码的执行从而保证Java程序的安全性。Java的沙箱安全机制主要体现在以下几个方面
类加载机制Java的类加载机制采用双亲委派模型可以避免同名类的重复加载同时也可以防止恶意代码的执行。安全管理器Java虚拟机提供了一个安全管理器(Security Manager)可以控制程序对系统资源的访问权限例如文件访问、网络访问、系统属性、进程控制等等。字节码校验Java虚拟机会对加载的字节码文件进行校验防止字节码被恶意篡改从而保证Java程序的安全性。沙箱环境Java虚拟机提供了一个沙箱环境(Sandbox)可以限制程序对系统资源的访问权限。沙箱环境是由安全管理器控制的通过对程序的访问权限进行控制可以避免程序对系统资源的滥用。
JVM的调优和监控
Java内存溢出
1.模拟Java堆内存溢出
// VM 参数 -Xms20m -Xmx20m -XX:HeapDumpOnOutOfMemoryError
public static void main(String[] args) {ListObject list new ArrayList();while (true){list.add(new Object());}
} D:\dev\spring_data_jpa\target\test-classes\java_pid7048.hprof
D:\dev\spring_data_jpa\java_pid6452.hprof IDEA启动生存 2.模拟栈内存溢出
Java虚拟机规范描述的异常
如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的栈深度则抛出StackOverflowError。如果虚拟机的栈内存允许动态扩展当扩展栈容量无法申请到足够的内存时将抛出OutOfMemoryError。
HotSpot虚拟机不支持栈的动态扩展但是再创建线程申请内存时就因无法获取足够的内存而出现的异常会是OutOfMemoryError异常。
设置虚拟机容量-Xss256k
public class StackOverTest01 {private int length 0;private void stack(){length;stack();}public static void main(String[] args) {StackOverTest01 obj new StackOverTest01();try {obj.stack();}catch (Throwable e){System.out.println(stackLength: obj.length);}}
} public class StackOverTest02 {static class InnerClass{public int length 0;public void stack(){MapString,String map1 new HashMap(1024);MapString,String map2 new HashMap(1024);MapString,String map3 new HashMap(1024);MapString,String map4 new HashMap(1024);MapString,String map5 new HashMap(1024);MapString,String map6 new HashMap(1024);MapString,String map7 new HashMap(1024);MapString,String map8 new HashMap(1024);MapString,String map9 new HashMap(1024);MapString,String map10 new HashMap(1024);MapString,String map11 new HashMap(1024);MapString,String map12 new HashMap(1024);MapString,String map13 new HashMap(1024);MapString,String map14 new HashMap(1024);MapString,String map15 new HashMap(1024);MapString,String map16 new HashMap(1024);MapString,String map17 new HashMap(1024);MapString,String map18 new HashMap(1024);MapString,String map19 new HashMap(1024);MapString,String map20 new HashMap(1024);MapString,String map21 new HashMap(1024);MapString,String map22 new HashMap(1024);MapString,String map23 new HashMap(1024);MapString,String map24 new HashMap(1024);MapString,String map25 new HashMap(1024);MapString,String map26 new HashMap(1024);MapString,String map27 new HashMap(1024);MapString,String map28 new HashMap(1024);MapString,String map29 new HashMap(1024);MapString,String map30 new HashMap(1024);length;stack();}}public static void main(String[] args) {InnerClass innerClass new InnerClass();try {innerClass.stack();}catch (Throwable e){System.out.println(stackLength: innerClass.length);}}} 模拟创建线程内存不足引发的OutOfMemoryError启动-Xss2m给线程分配2m内存
由于本地内存太大很难达到内存的最大值把内存耗尽通过在2核4G的服务器上面测试达到了效果。
public class StackOverTest03 {private static AtomicInteger count new AtomicInteger(0);public static void main(String[] args) {while (true){Thread thread new Thread(() - {count.incrementAndGet();int i 0;while (true) {if (i 0){if (count.get() % 10240 0){System.out.println(Thread.currentThread().getName() : count);}}try {Thread.sleep(6000000);i;} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}});thread.start();}}} 3.模拟方法区和常量池内存溢出
由于JDK1.8之后常量池是在堆内存中的在设置永久代的大小时程序结束也提示了1.8不支持这个设置了。不加堆内存限制应该很难到达OutOfMemoryError。
public class PermGenTest01 {public static void main(String[] args) {// -XX:PermSize6m -XX:MaxPermSize6m -Xms20m -Xmx20mListString list new ArrayList();int i 0;while (true){list.add(String.valueOf(i).intern());}}
} JDK1.8之前方法区内存也叫永久代但是JDK1.8开始去除了永久代改为元空间
public class MethodAreaTest01 {static class InnerClass{}// -XX:MaxMetaspaceSize10M 元空间最大值// -XX:MetaspaceSize1M 元空间初始空间大小到达该值会触发垃圾回收// -XX:MinMetaspaceFreeRatio 垃圾回收之后控制最小的元空间剩余容量的百分比// -XX:PermSize10M -XX:MaxPermSize10m -XX:MaxMetaspaceSize10Mpublic static void main(String[] args) {while (true){Enhancer enhancer new Enhancer();enhancer.setSuperclass(InnerClass.class);enhancer.setUseCache(false);enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {Overridepublic Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {return methodProxy.invoke(o,args);}});enhancer.create();}}
} 4.本机直接内存溢出
public class DirectMemoryTest01 {// -XX:MaxDirectMemorySize直接内存的最大容量默认和java堆的最大值// -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize10Mpublic static void main(String[] args) throws IllegalAccessException {Field unsafeField Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];unsafeField.setAccessible(true);Unsafe unsafe (Unsafe) unsafeField.get(null);while (true){unsafe.allocateMemory(1024*1024);}}
} 垃圾收集器和内存分配
