尚硅谷-JVM-內存和垃圾回收篇（P1~P203）

老師好喜歡講一些題外話，適合上學的人聽，挺有意思的。找工作的話就快進。而且發現JavaGuide上有些東西講的是不準確的，還是要以尚硅谷爲準

本文默認環境：
HotSpot虛擬機

JDK1.8

JVM上篇：內存與垃圾回收篇：

鏈接：https://pan.baidu.com/s/1TcHFE6YEk32Td_zXpZRSrg

提取碼：7jc7

JVM中篇：字節碼與類的加載篇：

鏈接：https://pan.baidu.com/s/1k6TmnpRqXro5DjCMBz0Qgg

提取碼：sdxw

JVM下篇：性能監控與調優篇：

鏈接：https://pan.baidu.com/s/1MZoq_tsNCg2Cx_xIasSJng

提取碼：qrbt

🔥1. 內存和垃圾回收篇（P1~P203）

🔥1. 內存和垃圾回收篇（P1~P203）

1.1. 基本概念

1.1.1 名詞解釋

1.1.1.1 JVM概念

Java虛擬機（默認HotSpot虛擬機，內部提供JIT編譯器）：各種語言經過編譯器後只要編譯後的字節碼符合JVM規則，則都能在JVM上運行

1.1.1.2 JVM整體結構

1.1.1.3 Java執行流程

1. Java源碼進行編譯成.class字節碼
2. 字節碼進入Jvm執行
3. 整個流程由OS控制

-- 對字節碼文件進行反編譯
javap -v JavaTest.class

1.1..1.4 JVM生命週期

JVM啓動是由類加載器加載一個初始類完成
JVM執行就是執行一個JAVA程序
JVM正常或異常退出

1.2 類加載子系統

1.2.1 基本概念

作用：把字節碼.class文件加載到內存當中，生成一個大的class實例。所實現的三步驟就是加載、鏈接、初始化

1.2.2 雙親委派機制

原理：當類加載器收到加載一個class類加載請求時，會先遞歸給最頂級父類加載器加載，若找不到就遞歸返回讓子類加載器依次加載尋找（比如定義了一個String類和java核心包中相同的類）

優點：

	1. 避免類重複加載
	2. 保護核心API被隨意修改

沙箱：就是在一個受保護的虛擬環境下的環境，用戶可以任意修改，不會對實際程序產生影響

1.3 運行時數據區

1.3.1 基本架構

JVM啓動後其實就是對應一個運行時環境，5個組件如下

1. 堆、元數據區：線程共享
1. 虛擬機棧、PC、本地方法棧

1.3.2 PC

PC寄存器：用於存下一條指令地址

1.3.3 虛擬機棧

1.3.2.1 基本概念

生命週期和線程一樣，保存方法的局部變量，並參與方法的調用與返回。保存了局部變量表，內部包含基本數據類型和對象引用

1.3.3.2 棧異常

虛擬機棧大小是動態或者固定不變的

StackOverFLowError: 線程申請棧容量超過Java虛擬機棧允許的最大容量
OutOfMemoryEoor:線程拓展時申請不到內內存，或者創建線程申請虛擬機棧申請不到內存，就會報OOM

-Xss256k  設置棧空間大小

1.3.3.3 存儲結構（略）

棧中數據以棧幀格式存在。

1.3.4 本地方法接口/本地方法庫

不屬於運行時數據區，但是供本地方法棧來調用

1.3.4 本地方法棧

虛擬機棧管理Java方法調用，本地方法棧管理本地方法調用

1.3.5 堆(*)

1.3.5.1 基本概念

1. 一個JVM實例只有一個堆內存，在啓動時就創建了堆
2. 堆在物理上不連續，邏輯上連續
3. 堆中可以給不同線程劃分私有的空間：TLAB
4. 對象實例幾乎都在堆上分配（有些在棧上）

/*
 當執行完s1後，s1在棧中就出棧了，s1在堆中指向的實例不會立馬GC，s1所在的方法也保存在方法區中，如下圖所示
*/
String s1 = new SimpleHeap()

//設置堆的最小和最大空間       每啓動一個main程序都會申請一個堆內存
-Xms10m -Xms10m

1.3.5.2 基本結構

新生代：分爲Eden區和Survivor區。
老年代
元空間：（jdk1.7之前叫永久代）

// 輸出3個空間大小情況。程序執行完纔打印
-Xms20m -Xms20m -XX:+PrintGCDetails

1.3.5.3 堆空間參數設置

初始內存大小：物理內存 / 64

最大內存大小：物理內存 / 4

// -Xms和-Xmx一般設置成一樣，避免擴容產生的不必要系統壓力
-Xms 堆空間（新生 + 老年）初始內存大小
-Xmx 對空間最大內存大小

/*
1. 查看空間容量：-XX:+PrintGCDetails
2. jsp查看進程    jstat -gc  進程號 查看容量
3. -XX:+PrintFlagsInitial 查看所有參數默認值
4. -XX:+PrintFlagsFinal 查看所有參數最終值

*/

1.3.5.4 新生代/老年代參數設置

1. 大部分Java對象都是在Eden中new出來，也是在新生代銷燬
1. 新生代和老年代內存比例默認是1: 2

-XX:NewRatio: 設置老年代所佔比例
-XX:Survivorratio: Eden空間和Survivor默認比例8:1:1，但是由於自適應分配策略，可能是6:1:1

1.3.5.5 對象分配

先在新生代-Eden區分配，滿了進行YGC，存活下來的進入Survivor-from並給age+1
下次新生代-Eden滿了YGC，Eden存活下來的和Survivor-From進入Survivor-To,然後Survivor-to變成survivor-from,原始survivor-from變成survivor-to，讓age+1。每次GC都會對eden和survivor進行回收。
survovor-from達到閾值15之後會進入老年代。

注意點：

survivor中s0, s1不會進行觸發YGC，只是每次Eden中YGC時會順便把survivor中回收。YGC後複製之後有交換，誰空誰是to
頻繁在新生代回收，很少在老年代回收，幾乎不在元空間回收
Eden中GC後就空了。Survivor中如果存不下就會放入老年代

1.3.5.6 回收策略

由於GC單獨有回收線程，會暫停用戶線程的運行，所以實際調用就是需要減少GC頻率

1. 部分收集
 	1. 新生代收集：MinorGC/YoungGC
 	2. 老年代收集：MajorGC/OldGC (CMS GC會單獨收集老年代)
 	3. 混合收集：新生代和老年代混合收集（G1 GC特有）
2. 整堆收集：整個java堆和方法區的垃圾回收

Minor GC：

Java對象大多朝生夕滅，所以MinorGC非常頻繁
MinorGC會引發STW（stop the world），暫停用戶線程，等待回收完再恢復執行

Major GC：

1. Major GC速度比MinorGC慢10倍以上，STW時間也更長

1.3.5.7 TLAB

TLAB（Thread Local Allocation Buffer）：在Eden中爲每一個線程快速分配私有緩存。但所佔空間很小

-- 查看TLAB：默認開啓
jps
jinfo -flag UseTLAB 進程號

字節碼文件經過類加載子系統
先由TLAB分配，不行JVM用加鎖機制走Eden那一套內存分配
分配好後進行對象實例化，對象引用入棧，PC+1

1.3.5.8 逃逸分析--棧上分配對象

堆可以分配對象
棧上也可以分配對象：若一個對象實例只在方法內部使用，那麼JIT編譯器在編譯期間經過逃逸分析就能再棧上分配，方法一退出就能回收對象。XXX.getInstance獲取對象實例會發生逃逸

//默認開啓
-XX:+DoEscapeAnalysis
    
    
    //未逃逸，棧上分配
    public static String createStringBuffer(String s1, String s2){
        StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
        stringBuffer.append(s1);
        stringBuffer.append(s2);
        //內部重新new String，方法中堆stringBuffer採用棧上分配，沒有發生逃逸，方法退出就能回收對象實例
        return stringBuffer.toString();
    }

1.3.5.9 逃逸分析--同步省略

經過逃逸分析，如果一個對象只能從一個線程訪問到，那麼對於對象的同步可以不考慮，提高併發性和性能，叫鎖消除

    /**
     * Author: HuYuQiao
     * Description:
     *  由於每次來都會new個新對象，所以synchronized實際鎖失效了，所以可以同步省略，
     *  免去加鎖流程.
     *
     */
    public static void f(){
        Object o = new Object();
        // 以下JIT編譯階段優化成：System.out.println(o.toString());
        synchronized (o){
            System.out.println(o.toString());
        }
    }

1.3.5.10 逃逸分析--標量替換

類：聚合量基本數據類型：標量

經過逃逸分析，若一個類的對象實例只在某個方法中使用，就把類替換成各個標量。也是默認開啓

1.3.5.11 逃逸分析--總結

逃逸分析：是JIT編譯優化時的一種分析方法
逃逸分析目前並不成熟，但是JVM也是引入了
靜態變量分配在堆上，其實也可以默認對象都分配在堆中，結合棧上分配講解即可

1.3.6 方法區

1.3.6.1 基本概念

PC沒有異常，也沒有GC
虛擬機棧、本地方法棧有異常，沒有GC
堆、元空間，有異常，有GC

元空間使用的是本地內存（電腦內存，而不是JVM內存）。若系統定義過多類，方法區也會報錯OOM：metaspace。

1.3.6.2 方法區/棧/堆--交互關係

/*
         User: 類的信息在方法區
         user: 引用變量或基本數據類型在棧
         new User(): 對象實例在堆
         */
User user = new User();

1.3.6.3 OOM簡單排查思路

先看OOM是內存溢出還是泄漏

1. 內存泄漏：用GC ROOT查看泄漏代碼位置
1. 內存溢出：查看是堆還是方法區溢出，調整參數大小

1.3.6.4 內部結構

存儲類相關信息
~~存儲靜態變量：定義一個空對象，也能直接調用對象的靜態變量，說明靜態變量是存在方法區的~~
運行時常量池：類的相關信息，~~字符串常量池(代碼定義的"字符串")~~

1.3.6.5 運行時常量池

字節碼文件中存在常量池，類加載子系統把常量池加載到方法區中，就是運行時常量池。所以需要分析常量池

常量池：內部包含了各種符號引用：比如下面存的String, System指向父類引用，"存儲在運行時常量池中"這種字符串常量池符號，在運行時纔會加載其父類

運行時常量池：把常量池中存的符號引用轉成真實地址，String,System這些真實的父類

    public static void main(String[] args) {
        Order order = null;
        System.out.println(order.count + "存儲在運行時常量池中");
    }

1.3.6.6 字符串常量池、靜態變量

堆：

字符串常量池：就是代碼定義的"字符串"，包括一些常量摺疊什麼的（之所以放到堆中，就是因爲實際代碼中定義字符串情況很多，放到堆中便於GC回收）。（區分字符串常量池和運行時常量池，兩者是不同的東西）
靜態變量：static int a這種

方法區：依然保存類的相關信息

（人都傻了，關於字符串常量池、靜態變量這2個東西網上衆說紛紜，感覺不用太較真，先默認在堆中，說不定面試官都不曉得在哪裏）

1.3.7 直接內存

1.3.7.1 基本概念

元空間的具體實現就是直接內存（也叫本地內存，直接內存包含了元空間）

1.3.7.2 IO/NIO

IO	NIO(非阻塞IO)
Byte/char	Buffer
Stream	Channel

1.3.7.3 基本流程

原始流程：CPU（線程） -> 內存（JVM）->（需要進行用戶態和內核態切換）磁盤

直接內存：CPU->磁盤（減少了用戶態到內核態切換），適合頻繁讀寫磁盤

1. 直接內存回收成本高，不受JVM內存回收管理
1. 也會導致OOM

1.4 對象實例化

1.4.1 創建對象方式

new
Class.newInstance,Constructor.newInstance
clone()
反序列化獲取
第三方庫

1.4.2 創建對象步驟

判讀對象所屬的類是否加載、鏈接、初始化
爲對象分配內存
1. 內存規整：指針碰撞
2. 內存不規整：空閒列表
處理分配內存時候的併發安全問題
初始化分配到空間
設置對象的對象頭
執行構造器相關的init方法進行初始化

1.4.3 對象內存佈局

對象頭
1. 運行時元數據markword（hashcode, 哪個線程持有鎖，鎖次數，GC分代年齡）
2. 類型指針：對象所屬類的信息
實例數據：父類繼承、本類的實際字段
對齊填充：爲了補位填充的無用數據

1.4.4 對象訪問方式

句柄訪問：棧先訪問到堆中句柄池，然後一個指向實際數據，一個類型指針指向對象所屬類信息
直接指針（HotSpot默認）：

1.5 執行引擎

1.5.1 基本概念

執行引擎是將字節碼指令解釋/編譯成平臺上的機器指令。依賴於PC計數器識別一條條指令

1.5.2 編譯與解釋

Java也是對代碼進行JIT編譯(快)和解釋執行(慢，但是啓動的時候就可以發揮作用)一起執行。

棧上替換：JIT編譯器把熱點代碼編譯成本地機器指令

1.5.3 垃圾回收

1.5.3.1 基本概念

垃圾：沒有任何指針指向的對象（和基本數據類型無關）

垃圾回收：回收永久代和堆中（頻繁回收新生代，較少老年代，幾乎不動永久代），（類似於理財管理，也提供了對理財管理的監控），垃圾回收又分標記和清除（類執行完成之後可以進行回收，代碼執行的時候內存不足也會觸發）

1.5.3.2 GC--標記

1. 引用計數（Java沒使用）：給每個對象分一個引用計數器，沒有引用指向就回收
1. 可達性分析（Java使用）：從對象集合GC Roots 從上到下進行引用鏈搜索，不能查到的就是垃圾對象

finalize：對象銷燬前做的調用的操作

1.5.3.3 Jprofile--OOM排查

1. 配置參數：-Xms8m -Xmx8m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
1. Java VisualVM打開XXX.hprof，然後就能查看到相關內存情況

1.5.3.4 GC--清除

1. MS(mark-sweep標記-清除)：先利用可達性標記，然後清除，容易產生內存碎片，還會STW用戶線程。**清除也不是真的置Null，而且把對象放入空閒空間，下次新對象使用就能複用這一塊地址**
 	1. ![image-20220725145710703](https://1-1257837791.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202207251457808.png)
2. MC(Mark-Compact標記-整理算法):先標記，然後清除,然後整理排好，避免內存碎片
3. CP(coping複製算法):內存分2半，每次用一般，然後把可達對象複製到另一半中（和survivor2個區一樣 ）
4. 分代收集算法（常見）：就是分成新生代和老年代，不同對象採用不同的收集算法（Http的session對象、線程就生命週期長。String就生命週期短，內部還是上面MS,MC,CP）
5. 增量收集算法：處理stw下垃圾回收線程和用戶線程的衝突，底層還是MS,CP,MC

1.5.3.5 System.gc

System.gc：進行一次full GC，但是不確定是否立刻GC，但是最終會GC

1.5.3.6 內存溢出/泄漏

內存溢出：可用內存不夠，無法申請

內存泄漏：無用內存太多，卻無法回收

		1. 單例的Runtime生命週期很長，分配一個引用對象的話，那麼那個引用對象就很難回收
		1. 和外部的數據庫連接、socket連接，如果不關閉的話就無法回收

1.5.3.7 STW

stop the world ，由於GC Root 是不斷變化的，在垃圾回收的時候要保證數據一致性，就需要暫停用戶線程，根據GC Root 進行垃圾回收，這種在GC時候暫停用戶線程就叫STW

1.5.3.8 垃圾回收--併發與並行

垃圾回收-並行：多條垃圾回收線程並行工作，用戶線程STW

垃圾回收-併發：垃圾回收線程和用戶線程併發工作，中間穿插STW

1.5.3.8 安全點和安全區域

在程序執行的時候，對於選定STW時間點很重要，在那種循環、調用方法執行時間長的地方選定STW，就叫安全點。如果程序阻塞了，那麼程序這一段區域內也能進行STW，然後進行GC，這一段區域就叫安全區域

1.5.3.9 強軟弱虛引用（略）--JUC講過

1.5.4 垃圾回收器

1.5.4.1 性能指標

在下面2個指標中找個折中辦法

1. 吞吐量 ： 運行用戶代碼時間 / (運行用戶代碼時間 + 垃圾收集時間)
1. 暫停時間

1.5.4.2 基本分類

1. 串行回收器：Serial, Serial Old
1. 並行回收器： ParNew, Paralled Scavenge, Parallel Old
1. 併發回收器：CMS, G1

1.5.4.3 jdk8默認垃圾回收器

默認UseParallelGC(新生代 cp算法吞吐量優先) + ParallelOldGC(老年代 mc算法) 。可以在JVM參數中配置相應的垃圾回收器

C:\Users\EDY>jps
14416 GCUseTest
22576 Jps
45240 RemoteMavenServer36
13484 Launcher
14556 RemoteMavenServer36
39372

C:\Users\EDY>jinfo -flag UseParallelGC 14416
-XX:+UseParallelGC

C:\Users\EDY>jinfo -flag UseParallelOldGC 14416
-XX:+UseParallelOldGC

1.5.4.4 垃圾回收器選擇

最小化內存用Serial GC

最大化吞吐量用Paralled GC

最小化GC中斷時長用CMS

1.5.5 GC--回收日誌與導出

--打印GC日誌
-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:gc.log

1.6 String

1.6.1 基本概念

1.6.1.1 不可變

內部是final的char數組，申明的話是在堆的字符串常量池重新創建，然後賦值，且字符串常量池中相同字符串數據唯一

private final char value[]

1.6.1.2 實現原理

String的字符串池是採用HashTable(數組+鏈表)實現，因爲有Hash值計算，所以字符串常量池數據不重複。

1.6.1.3 面試考點

1. String s1 = s2 + ""：出現了s2這種變量，返回結果就是重新在堆new了個對象 new String()。底層是StringBuilder非線程安全(StringBuilder.toString就是重新new String())，所以併發環境下拼接字符串應該用StringBuffer（final String的話就沒有這種情況，因爲就變成常量了）
1. s1.intern()：返回s1常量池中字符串，沒有則重新在常量池創建一個返回