深入JVM

[ 2010-11-25 21:22:39 | Author: zhenhua ]
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1 JVM简介

JVM是我们Javaer的最基本功底了,刚开始学Java的时候,一般都是从“Hello World”开始的,然后会写个复杂点class,然后再找一些开源框架,比如Spring,Hibernate等等,再然后就开发企业级的应用,比如网站、企业内部应用、实时交易系统等等,直到某一天突然发现做的系统咋就这么慢呢,而且时不时还来个内存溢出什么的,今天是交易系统报了StackOverflowError,明天是网站系统报了个OutOfMemoryError,这种错误又很难重现,只有分析Javacore和dump文件,运气好点还能分析出个结果,运行遭的点,就直接去庙里烧香吧!每天接客户的电话都是战战兢兢的,生怕再出什么幺蛾子了。我想Java做的久一点的都有这样的经历,那这些问题的最终根结是在哪呢?—— JVM。
JVM全称是Java Virtual Machine,Java虚拟机,也就是在计算机上再虚拟一个计算机,这和我们使用 VMWare不一样,那个虚拟的东西你是可以看到的,这个JVM你是看不到的,它存在内存中。我们知道计算机的基本构成是:运算器、控制器、存储器、输入和输出设备,那这个JVM也是有这成套的元素,运算器是当然是交给硬件CPU还处理了,只是为了适应“一次编译,随处运行”的情况,需要做一个翻译动作,于是就用了JVM自己的命令集,这与汇编的命令集有点类似,每一种汇编命令集针对一个系列的CPU,比如8086系列的汇编也是可以用在8088上的,但是就不能跑在8051上,而JVM的命令集则是可以到处运行的,因为JVM做了翻译,根据不同的CPU,翻译成不同的机器语言。
JVM中我们最需要深入理解的就是它的存储部分,存储?硬盘?NO,NO, JVM是一个内存中的虚拟机,那它的存储就是内存了,我们写的所有类、常量、变量、方法都在内存中,这决定着我们程序运行的是否健壮、是否高效,接下来的部分就是重点介绍之。
2 JVM的组成部分

我们先把JVM这个虚拟机画出来,如下图所示:

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从这个图中可以看到,JVM是运行在操作系统之上的,它与硬件没有直接的交互。我们再来看下JVM有哪些组成部分,如下图所示:

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该图参考了网上广为流传的JVM构成图,大家看这个图,整个JVM分为四部分:
q Class Loader 类加载器
类加载器的作用是加载类文件到内存,比如编写一个HelloWord.java程序,然后通过javac编译成class文件,那怎么才能加载到内存中被执行呢?Class Loader承担的就是这个责任,那不可能随便建立一个.class文件就能被加载的,Class Loader加载的class文件是有格式要求,在《JVM Specification》中式这样定义Class文件的结构:
ClassFile {
u4 magic;
u2 minor_version;
u2 major_version;
u2 constant_pool_count;
cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
u2 access_flags;
u2 this_class;
u2 super_class;
u2 interfaces_count;
u2 interfaces[interfaces_count];
u2 fields_count;
field_info fields[fields_count];
u2 methods_count;
method_info methods[methods_count];
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}
需要详细了解的话,可以仔细阅读《JVM Specification》的第四章“The class File Format”,这里不再详细说明。
友情提示:Class Loader只管加载,只要符合文件结构就加载,至于说能不能运行,则不是它负责的,那是由Execution Engine负责的。
q Execution Engine 执行引擎
执行引擎也叫做解释器(Interpreter),负责解释命令,提交操作系统执行。
q Native Interface本地接口
本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用,它的初衷是融合C/C++程序,Java诞生的时候是C/C++横行的时候,要想立足,必须有一个聪明的、睿智的调用C/C++程序,于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native的代码,它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法,在Execution Engine执行时加载native libraies。目前该方法使用的是越来越少了,除非是与硬件有关的应用,比如通过Java程序驱动打印机,或者Java系统管理生产设备,在企业级应用中已经比较少见,因为现在的异构领域间的通信很发达,比如可以使用Socket通信,也可以使用Web Service等等,不多做介绍。
q Runtime data area运行数据区
运行数据区是整个JVM的重点。我们所有写的程序都被加载到这里,之后才开始运行,Java生态系统如此的繁荣,得益于该区域的优良自治,下一章节详细介绍之。

整个JVM框架由加载器加载文件,然后执行器在内存中处理数据,需要与异构系统交互是可以通过本地接口进行,瞧,一个完整的系统诞生了!
2 JVM的内存管理

所有的数据和程序都是在运行数据区存放,它包括以下几部分:
q Stack 栈
栈也叫栈内存,是Java程序的运行区,是在线程创建时创建,它的生命期是跟随线程的生命期,线程结束栈内存也就释放,对于栈来说不存在垃圾回收问题,只要线程一结束,该栈就Over。问题出来了:栈中存的是那些数据呢?又什么是格式呢?
栈中的数据都是以栈帧(Stack Frame)的格式存在,栈帧是一个内存区块,是一个数据集,是一个有关方法(Method)和运行期数据的数据集,当一个方法A被调用时就产生了一个栈帧F1,并被压入到栈中,A方法又调用了B方法,于是产生栈帧F2也被压入栈,执行完毕后,先弹出F2栈帧,再弹出F1栈帧,遵循“先进后出”原则。
那栈帧中到底存在着什么数据呢?栈帧中主要保存3类数据:本地变量(Local Variables),包括输入参数和输出参数以及方法内的变量;栈操作(Operand Stack),记录出栈、入栈的操作;栈帧数据(Frame Data),包括类文件、方法等等。光说比较枯燥,我们画个图来理解一下Java栈,如下图所示:

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图示在一个栈中有两个栈帧,栈帧2是最先被调用的方法,先入栈,然后方法2又调用了方法1,栈帧1处于栈顶的位置,栈帧2处于栈底,执行完毕后,依次弹出栈帧1和栈帧2,线程结束,栈释放。
q Heap 堆内存
一个JVM实例只存在一个堆类存,堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后,需要把类、方法、常变量放到堆内存中,以方便执行器执行,堆内存分为三部分:
Permanent Space 永久存储区
永久存储区是一个常驻内存区域,用于存放JDK自身所携带的Class,Interface的元数据,也就是说它存储的是运行环境必须的类信息,被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的,关闭JVM才会释放此区域所占用的内存。
Young Generation Space 新生区
新生区是类的诞生、成长、消亡的区域,一个类在这里产生,应用,最后被垃圾回收器收集,结束生命。新生区又分为两部分: 伊甸区(Eden space)和幸存者区(Survivor pace),所有的类都是在伊甸区被new出来的。幸存区有两个: 0区(Survivor 0 space)和1区(Survivor 1 space)。当伊甸园的空间用完时,程序又需要创建对象,JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收,将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存0区。若幸存0区也满了,再对该区进行垃圾回收,然后移动到1区。那如果1区也满了呢?再移动到养老区。
Tenure generation space养老区
养老区用于保存从新生区筛选出来的JAVA对象,一般池对象都在这个区域活跃。 三个区的示意图如下:

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q Method Area 方法区
方法区是被所有线程共享,该区域保存所有字段和方法字节码,以及一些特殊方法如构造函数,接口代码也在此定义。
q PC Register 程序计数器
每个线程都有一个程序计数器,就是一个指针,指向方法区中的方法字节码,由执行引擎读取下一条指令。
q Native Method Stack 本地方法栈



3 JVM相关问题

问:堆和栈有什么区别
答:堆是存放对象的,但是对象内的临时变量是存在栈内存中,如例子中的methodVar是在运行期存放到栈中的。
栈是跟随线程的,有线程就有栈,堆是跟随JVM的,有JVM就有堆内存。

问:堆内存中到底存在着什么东西?
答:对象,包括对象变量以及对象方法。

问:类变量和实例变量有什么区别?
答:静态变量是类变量,非静态变量是实例变量,直白的说,有static修饰的变量是静态变量,没有static修饰的变量是实例变量。静态变量存在方法区中,实例变量存在堆内存中。

问:我听说类变量是在JVM启动时就初始化好的,和你这说的不同呀!
答:那你是道听途说,信我的,没错。

问:Java的方法(函数)到底是传值还是传址?
答:都不是,是以传值的方式传递地址,具体的说原生数据类型传递的值,引用类型传递的地址。对于原始数据类型,JVM的处理方法是从Method Area或Heap中拷贝到Stack,然后运行frame中的方法,运行完毕后再把变量指拷贝回去。

问:为什么会产生OutOfMemory产生?
答:一句话:Heap内存中没有足够的可用内存了。这句话要好好理解,不是说Heap没有内存了,是说新申请内存的对象大于Heap空闲内存,比如现在Heap还空闲1M,但是新申请的内存需要1.1M,于是就会报OutOfMemory了,可能以后的对象申请的内存都只要0.9M,于是就只出现一次OutOfMemory,GC也正常了,看起来像偶发事件,就是这么回事。 但如果此时GC没有回收就会产生挂起情况,系统不响应了。

问:我产生的对象不多呀,为什么还会产生OutOfMemory?
答:你继承层次忒多了,Heap中 产生的对象是先产生 父类,然后才产生子类,明白不?

问:OutOfMemory错误分几种?
答:分两种,分别是“OutOfMemoryError:java heap size”和”OutOfMemoryError: PermGen space”,两种都是内存溢出,heap size是说申请不到新的内存了,这个很常见,检查应用或调整堆内存大小。
“PermGen space”是因为永久存储区满了,这个也很常见,一般在热发布的环境中出现,是因为每次发布应用系统都不重启,久而久之永久存储区中的死对象太多导致新对象无法申请内存,一般重新启动一下即可。

问:为什么会产生StackOverflowError?
答:因为一个线程把Stack内存全部耗尽了,一般是递归函数造成的。

问:一个机器上可以看多个JVM吗?JVM之间可以互访吗?
答:可以多个JVM,只要机器承受得了。JVM之间是不可以互访,你不能在A-JVM中访问B-JVM的Heap内存,这是不可能的。在以前老版本的JVM中,会出现A-JVM Crack后影响到B-JVM,现在版本非常少见。

问:为什么Java要采用垃圾回收机制,而不采用C/C++的显式内存管理?
答:为了简单,内存管理不是每个程序员都能折腾好的。

问:为什么你没有详细介绍垃圾回收机制?
答:垃圾回收机制每个JVM都不同,JVM Specification只是定义了要自动释放内存,也就是说它只定义了垃圾回收的抽象方法,具体怎么实现各个厂商都不同,算法各异,这东西实在没必要深入。

问:JVM中到底哪些区域是共享的?哪些是私有的?
答:Heap和Method Area是共享的,其他都是私有的,

问:什么是JIT,你怎么没说?
答:JIT是指Just In Time,有的文档把JIT作为JVM的一个部件来介绍,有的是作为执行引擎的一部分来介绍,这都能理解。Java刚诞生的时候是一个解释性语言,别嘘,即使编译成了字节码(byte code)也是针对JVM的,它需要再次翻译成原生代码(native code)才能被机器执行,于是效率的担忧就提出来了。Sun为了解决该问题提出了一套新的机制,好,你想编译成原生代码,没问题,我在JVM上提供一个工具,把字节码编译成原生码,下次你来访问的时候直接访问原生码就成了,于是JIT就诞生了,就这么回事。

问:JVM还有哪些部分是你没有提到的?
答:JVM是一个异常复杂的东西,写一本砖头书都不为过,还有几个要说明的:
常量池(constant pool):按照顺序存放程序中的常量,并且进行索引编号的区域。比如int i =100,这个100就放在常量池中。
安全管理器(Security Manager):提供Java运行期的安全控制,防止恶意攻击,比如指定读取文件,写入文件权限,网络访问,创建进程等等,Class Loader在Security Manager认证通过后才能加载class文件的。
方法索引表(Methods table),记录的是每个method的地址信息,Stack和Heap中的地址指针其实是指向Methods table地址。

问:为什么不建议在程序中显式的生命System.gc()?
答:因为显式声明是做堆内存全扫描,也就是Full GC,是需要停止所有的活动的(Stop The World Collection),你的应用能承受这个吗?

问:JVM有哪些调整参数?
答:非常多,自己去找,堆内存、栈内存的大小都可以定义,甚至是堆内存的三个部分、新生代的各个比例都能调整。
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