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深入理解Java虚拟机

书籍简介

  • 本书作者为 [中] 周志明。
  • 本书是《深入理解Java虚拟机》系列第3版。
  • 这是一部从工作原理和工程实践两个维度深入剖析JVM的著作。

豆瓣读书：深入理解Java虚拟机（第3版） (opens new window)

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走近Java

Java技术发展时间线

自动内存管理

Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的高墙，墙外面的人想进去，墙里面的人却想出来。Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的高墙，墙外面的人想进去，墙里面的人却想出来。

《Java虚拟机规范》规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区

Java虚拟机运行时数据区

  • 程序计数器
    • 线程私有
    • 如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址
    • 如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（Undefined）
    • 唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域
  • Java虚拟机栈
    • 线程私有，生命周期与线程相同
    • 虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型： 每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
    • 变量槽（Slot）
    • 如果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虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常
  • 本地方法栈
    • 虚拟机栈为虚拟机执行执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到本地（Native）方法服务
    • 譬如Hot-Spot虚拟机直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一
    • 与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常
  • Java堆（GC堆）
    • 被所有线程共享
    • Java世界里"几乎"所有的对象实例都在这里分配内存
    • 由于现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的，所以Java堆中经常会出现“新生代”“老年代”“永久代”“Eden空间”“From Survivor空间”“To Survivor空间”等名词
    • 在十年之前（以G1收集器的出现为分界），作为业界绝对主流的HotSpot虚拟机，它内部的垃圾收集器全部都基于“经典分代”来设计，需要新生代、老年代收集器搭配才能工作
    • Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）
    • 如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常
  • 方法区（Method Area）
    • 被所有线程共享
    • 在JDK 6的时候HotSpot开发团队就有放弃永久代，逐步改为采用本地内存（Native Memory）来实现方法区的计划了
    • 到了JDK 7的HotSpot，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出
    • 而到了JDK 8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Meta-space）来代替，把JDK 7中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。
    • 根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常
  • 运行时常量池（Runtime Constant Pool）
    • 是方法区的一部分
    • 当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常
  • 直接内存（Direct Memory）
    • 并不是虚拟机运行时数据区的一部分
    • 但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现

HotSpot虚拟机对象探秘

  • 给对象分配内存
    • 指针碰撞（Bump The Pointer）
    • 空闲列表（Free List）
  • 本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）
  • 对象的访问定位
    • 句柄访问
    • 直接指针

经典垃圾收集器

术语

  • 垃圾收集器（Garbage Collection，简称GC）
  • 判断对象是否存活算法
    • 引用计数算法（Reference Counting）：微软COM技术（Component Object Model）
    • 可达性分析算法（Reachability Analysis）：主流Java虚拟机
      • 字符串常量池（String Table）
      • GC Roots集合
  • 分代收集和局部回收(Partial GC)
  • 从如何判定对象消亡的角度出发，垃圾收集算法可分为
    • 引用计数式垃圾收集（Reference Counting GC），又称：直接垃圾收集
    • 追踪式垃圾收集（Tracing GC），又称：间接垃圾收集
  • 当前商业虚拟机的垃圾收集器大多遵循了"分代收集"（Generational Collection）的理论进行设计
    • 两个分代假说
      • 弱分代假说（Weak Generational Hypothesis）：绝大多数对象都是朝生夕灭的
      • 强分代假说（Strong Generational Hypothesis）：熬过越多次垃圾收集过程的对象就越难以消亡
    • 第三条经验法则
      • 跨代引用假说（Intergenerational Reference Hypothesis）：夸代引用相对于同代引用来说仅占极少数
  • Java堆划分区域
    • 新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）：HotSpot虚拟机，也是现代业界主流命名方式
    • 婴儿区（Nursery）和长存区（Tenured）：IBM J9虚拟机
  • 分代统一定义
    • 部分收集（Partial GC）：指目标不是完整收集整个Java堆的垃圾收集，其中又分为：
      • 新生代收集（Minor GC/Young GC）：指目标只是新生代的垃圾收集。
      • 老年代收集（Major GC/Old GC）：指目标只是老年代的垃圾收集。目前只有CMS收集器会有单独收集老年代的行为。另外请注意“Major GC”这个说法现在有点混淆，在不同资料上常有不同所指，读者需按上下文区分到底是指老年代的收集还是整堆收集。
      • 混合收集（Mixed GC）：指目标是收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。目前只有G1收集器会有这种行为。
    • 整堆收集（Full GC）：收集整个Java堆和方法区的垃圾收集。
  • 垃圾收集器算法
    • 标记-清除算法（Mark-Sweep）
    • 标记-复制算法
      • 半区复制（Semispace Coping）
      • 分配担保（Handle Promotion）
    • 标记-整理算法（Mark-Compact）
  • 并发标记对象消失问题
    • 两个条件同时满足，才会产生"对象消失"问题
      • 赋值器插入了一条或多条从黑色对象到白色对象的新引用；
      • 赋值器删除了全部从灰色对象到该白色对象的直接或间接引用。
    • 两种解决方案
      • 增量更新（Incremental Update）：CMS
      • 原始快照（Snapshot At The Beginning，SATB）：G1、Shenandoah
  • 衡量垃圾收集器的三项最重要的指标（不可能三角）
    • 内存占用（Footprint）
    • 吞吐量（Throughput）
    • 延迟（Latency）

垃圾收集器

"经典"：指在JDK 7 Update 4之后（在这个版本中正式提供了商用的G1收集器，此前G1仍处于实验状态）、 JDK 11正式发布之前，OracleJDK中的HotSpot虚拟机所包含的全部可用的垃圾收集器。

注意：并行和并发都是并发编程中的专业名词，在谈论垃圾收集器的上下文语境中，它们可以理解为

  • 并行（Parallel）：并行描述的是多条垃圾收集器线程之间的关系，说明同一时间有多条这样的线程在协同工作，通常默认此时用户线程是处于等待状态。

并发（Concurrent）：并发描述的是垃圾收集器线程与用户线程之间的关系，说明同一时间垃圾收集器线程与用户线程都在运行。由于用户线程并未被冻结，所以程序仍然能响应服务请求，但由于垃圾收集器线程占用了一部分系统资源，此时应用程序的处理的吞吐量将受到一定影响。

垃圾收集器 区域 算法 GC线程 描述
Serial 新生代 标记-复制 单线程(STW) 1. JDK1.3.1之前HotSpot新生代唯一选择
2. HotSpot客户端模式下默认的新生代收集器
3. 简单高效(与其他收集器单线程相比)，它是收集器额外内存消耗(Memory Footprint)最小的
ParNew 新生代 标记-复制 多线程并行(STW) 1. Serial多线程并行版本，其余行为包括控制参数、收集算法、STW、对象分配规、回收策略等都与Serial完全一致
2. JDK7之前遗留系统中首选的新生代收集器
3. 除了Serial收集器外，目前只有它能与CMS配合工作
Parallel Scavenge 新生代 标记-复制 多线程并行(STW) 1. 目标是达到一个可控制的吞吐量(Throughput)，被称作"吞吐量优先收集器"
2. -XX:+MaxGCPauseMillis：控制最大垃圾收集停顿时间，大于0毫秒
3. -XX：GCTimeRatio：直接设置吞吐量大小，大于0小于100的整数
4. -XX:+UseAdaptiveSizePolicy：虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息，动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或者最大的吞吐量。这种调节方式称为垃圾收集的自适应的调节策略（GC Ergonomics）
Serial Old (MSC)(MarkSweepCompact) 老年代 标记-整理 单线程(STW) 1. 是Serial收集器老年代版本
2. 主要意义是提供客户端模式下HotSpot虚拟机使用
3. JDK5之前与Parallel Scavenge搭配使用
4. 作为CMS收集器发生失败时的后备预案
Parallel Old 老年代 标记-整理 多线程并发(STW) 1. JDK6才开始提供，Parallel Scavenge收集器的老年代版本
2. 吞吐量优先(Parallel Scavenge+Parallel Old)
CMS (Concurrent Mark Sweep) 老年代 标记-清除 并发标记、并发清除 1. 四个步骤，1)初始标记 2)并发标记(增量更新) 3)重新标记 4)并发清除
2. "并发低停顿收集器"，是HotSpot虚拟机追求低停顿的第一次成功尝试
3. 只有CMS会有单独收集老年代的行为
4. 三个明显缺点，1)对资源非常敏感，应为占用一部分线程而导致应用程序变慢，降低吞吐量 2) 无法处理"浮动垃圾"(Floating Garbage) 3)"标记-清除"算法必然会带来空间碎片
G1 (Garbage First) Region 标记-整理、标记-复制 并发标记 1. 垃圾收集器技术发展历史上里程牌式的成功
2.基于Region的内存布局
3. JDK 7 Update 4正式提供商用
Shenandoah Region 并发标记、并发整理 是一款只有OpenJDK才会包含，而OracleJDK里反而不存在的收集器
ZGC Region 并发整理 2018年Oracle创建JEP333将ZGC提交给OpenJDK，推动其进入OpenJDK发布清单之中

垃圾收集相关常用参数

第10章 前端编译与优化

  • 前端编译器：
    • 把*.java文件转变成*.class文件的过程
    • JDK的Javac、Eclipse JDT中的增量式编译器（ECJ）。
  • 即时编译器：（常称JIT编译器，Just In Time Compiler）
    • 运行期把字节码转变成本地机器码的过程
    • HotSpot虚拟机的C1、C2编译器，Graal编译器。
  • 提前编译器：（常称AOT编译器，Ahead Of Time Compiler）
    • 直接把程序编译成与目标机器指令集相关的二进制代码的过程
    • JDK的Jaotc、GNU Compiler for the Java（GCJ）、Excelsior JET。

1.Java与C#的泛型

  • Java选择的泛型实现方式叫作“类型擦除式泛型”（Type Erasure Generics）
  • C#选择的泛型实现方式是“具现化式泛型”（Reified Generics）

第11章 后端编译与优化

  1. 目前主流的两款商用Java虚拟机（HotSpot、OpenJ9）里，Java程序最初都是通过解释器（Interpreter）进行解释执行的，
  2. 当虚拟机发现某个方法或代码块的运行特别频繁，就会把这些代码认定为“热点代码”（HotSpot Code），
  3. 为了提高热点代码的执行效率，在运行时，虚拟机将会把这些代码编译成本地机器码，并以各种手段尽可能地进行代码优化，
  4. 运行时完成这个任务的后端编译器被称为即时编译器

HotSpot虚拟机中内置了两个（或三个）即时编译器，其中有两个编译器存在已久，分别被称为

  • “客户端编译器”（Client Compiler），简称为C1编译器
  • “服务端编译器”（Server Compiler），简称为C2编译器（部分资料和JDK源码中C2也叫Opto编译器）
  • 第三个是在JDK 10时才出现的、长期目标是代替C2的Graal编译器

第13章 线程安全与锁优化

Amdahl's Law(阿姆达尔定律) (opens new window)

线程安全

当多个线程同时访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那就称这个对象是线程安全的。

  • Java语言中各种操作共享的数据

    • 不可变
    • 绝对线程安全
    • 相对线程安全
    • 线程兼容
    • 线程对立

  • 线程安全实现方法

    • 互斥同步(Mutual Exclusion & Synchronization)
    • 非阻塞同步(Non-Blocking Synchronization)
    • 无同步方案

锁优化

自旋锁和自适应自旋(Adaptive Spinning)

锁消除(Lock Elimination)

锁粗化(Lock Coarsening)

轻量级锁(Lightweight Locking)

HotSpot虚拟机对象头Mark Word

偏向锁(Biased Locking)

总字数: 4,232 字　 上次更新: 2023-03-14 00:25:11

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