淺談JVM specification的實(shí)現(xiàn)及其原理

作者：zuoshaobiao 2009-07-10 14:55:34

近期看了看Java內(nèi)存泄露的一些案例，跟大家討論了一下，深入研究發(fā)現(xiàn)JVM里面還是有不少以前不知道的細(xì)節(jié)，這里稍微剖析一下JVM specification。

JVM主要包括兩個(gè)子系統(tǒng)和兩個(gè)組件。兩個(gè)子系統(tǒng)分別是Class loader子系統(tǒng)和Execution engine(執(zhí)行引擎) 子系統(tǒng)；兩個(gè)組件分別是Runtime data area (運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域)組件和Native interface(本地接口)組件。

Class loader子系統(tǒng)的作用：根據(jù)給定的全限定名類名(如 java.lang.Object)來(lái)裝載class文件的內(nèi)容到 Runtime data area中的method area(方法區(qū)域)。Java程序員可以extends java.lang.ClassLoader類來(lái)寫(xiě)自己的Class loader。

Execution engine子系統(tǒng)的作用：執(zhí)行classes中的指令。任何JVM specification實(shí)現(xiàn)(JDK)的核心都是Execution engine，不同的JDK（JVM specification）例如Sun 的JDK 和IBM的JDK好壞主要就取決于他們各自實(shí)現(xiàn)的Execution engine的好壞。

Native interface組件：與native libraries交互，是其它編程語(yǔ)言交互的接口。當(dāng)調(diào)用native方法的時(shí)候，就進(jìn)入了一個(gè)全新的并且不再受虛擬機(jī)限制的世界，所以也很容易出現(xiàn)JVM無(wú)法控制的native heap OutOfMemory。

Runtime Data Area組件：這就是我們常說(shuō)的JVM的內(nèi)存了。它主要分為五個(gè)部分——

1、Heap (堆)：一個(gè)Java虛擬實(shí)例中只存在一個(gè)堆空間

2、Method Area(方法區(qū)域)：被裝載的class的信息存儲(chǔ)在Method area的內(nèi)存中。當(dāng)虛擬機(jī)裝載某個(gè)類型時(shí)，它使用類裝載器定位相應(yīng)的class文件，然后讀入這個(gè)class文件內(nèi)容并把它傳輸?shù)教摂M機(jī)中。

3、Java Stack(java的棧)：虛擬機(jī)只會(huì)直接對(duì)Java stack執(zhí)行兩種操作：以幀為單位的壓棧或出棧

4、Program Counter(程序計(jì)數(shù)器)：每一個(gè)線程都有它自己的PC寄存器，也是該線程啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建的。PC寄存器的內(nèi)容總是指向下一條將被執(zhí)行指令的餓地址，這里的地址可以是一個(gè)本地指針，也可以是在方法區(qū)中相對(duì)應(yīng)于該方法起始指令的偏移量。

5、Native method stack(本地方法棧)：保存native方法進(jìn)入?yún)^(qū)域的地址

以上五部分只有Heap 和Method Area是被所有線程的共享使用的；而Java stack, Program counter 和Native method stack是以線程為粒度的，每個(gè)線程獨(dú)自擁有自己的部分。

了解JVM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，再來(lái)看看JVM內(nèi)存回收問(wèn)題了——

Sun的JVM Generational Collecting(垃圾回收)原理是這樣的：把對(duì)象分為年青代(Young)、年老代(Tenured)、持久代(Perm)，對(duì)不同生命周期的對(duì)象使用不同的算法。(基于對(duì)對(duì)象生命周期分析)

Java堆中的各代分布。

1. Young（年輕代）

年輕代分三個(gè)區(qū)。一個(gè)Eden區(qū)，兩個(gè)Survivor區(qū)。大部分對(duì)象在Eden區(qū)中生成。當(dāng)Eden區(qū)滿時(shí)，還存活的對(duì)象將被復(fù)制到Survivor區(qū)（兩個(gè)中的一個(gè)），當(dāng)這個(gè)Survivor區(qū)滿時(shí)，此區(qū)的存活對(duì)象將被復(fù)制到另外一個(gè)Survivor區(qū)，當(dāng)這個(gè)Survivor去也滿了的時(shí)候，從第一個(gè)Survivor區(qū)復(fù)制過(guò)來(lái)的并且此時(shí)還存活的對(duì)象，將被復(fù)制年老區(qū)(Tenured。需要注意，Survivor的兩個(gè)區(qū)是對(duì)稱的，沒(méi)先后關(guān)系，所以同一個(gè)區(qū)中可能同時(shí)存在從Eden復(fù)制過(guò)來(lái) 對(duì)象，和從前一個(gè)Survivor復(fù)制過(guò)來(lái)的對(duì)象，而復(fù)制到年老區(qū)的只有從第一個(gè)Survivor去過(guò)來(lái)的對(duì)象。而且，Survivor區(qū)總有一個(gè)是空的。

2. Tenured（年老代）

年老代存放從年輕代存活的對(duì)象。一般來(lái)說(shuō)年老代存放的都是生命期較長(zhǎng)的對(duì)象。

3. Perm（持久代）

用于存放靜態(tài)文件，如今Java類、方法等。持久代對(duì)垃圾回收沒(méi)有顯著影響，但是有些應(yīng)用可能動(dòng)態(tài)生成或者調(diào)用一些class，例如Hibernate等，在這種時(shí)候需要設(shè)置一個(gè)比較大的持久代空間來(lái)存放這些運(yùn)行過(guò)程中新增的類。持久代大小通過(guò)-XX:MaxPermSize=進(jìn)行設(shè)置。

舉個(gè)例子：當(dāng)在程序中生成對(duì)象時(shí)，正常對(duì)象會(huì)在年輕代中分配空間，如果是過(guò)大的對(duì)象也可能會(huì)直接在年老代生成（據(jù)觀測(cè)在運(yùn)行某程序時(shí)候每次會(huì)生成一個(gè)十兆的空間用收發(fā)消息，這部分內(nèi)存就會(huì)直接在年老代分配）。年輕代在空間被分配完的時(shí)候就會(huì)發(fā)起內(nèi)存回收，大部分內(nèi)存會(huì)被回收，一部分幸存的內(nèi)存會(huì)被拷貝至Survivor的from區(qū)，經(jīng)過(guò)多次回收以后如果from區(qū)內(nèi)存也分配完畢，就會(huì)也發(fā)生內(nèi)存回收然后將剩余的對(duì)象拷貝至to區(qū)。等到to區(qū)也滿的時(shí)候，就會(huì)再次發(fā)生內(nèi)存回收然后把幸存的對(duì)象拷貝至年老區(qū)。

通常我們說(shuō)的JVM內(nèi)存回收總是在指堆內(nèi)存回收，確實(shí)只有堆中的內(nèi)容是動(dòng)態(tài)申請(qǐng)分配的，所以以上對(duì)象的年輕代和年老代都是指的JVM的Heap空間，而持久代則是之前提到的Method Area，不屬于Heap。

了解完這些之后，以下的轉(zhuǎn)載一熱衷于鉆研技術(shù)的哥們Richen Wang關(guān)于內(nèi)存管理的一些建議——

1、手動(dòng)將生成的無(wú)用對(duì)象，中間對(duì)象置為null，加快內(nèi)存回收。

2、對(duì)象池技術(shù) 如果生成的對(duì)象是可重用的對(duì)象，只是其中的屬性不同時(shí)，可以考慮采用對(duì)象池來(lái)較少對(duì)象的生成。如果有空閑的對(duì)象就從對(duì)象池中取出使用，沒(méi)有再生成新的對(duì)象，大大提高了對(duì)象的復(fù)用率。

3、JVM調(diào)優(yōu) 通過(guò)配置JVM的參數(shù)來(lái)提高垃圾回收的速度，如果在沒(méi)有出現(xiàn)內(nèi)存泄露且上面兩種辦法都不能保證內(nèi)存的回收時(shí)，可以考慮采用JVM調(diào)優(yōu)的方式來(lái)解決，不過(guò)一定要經(jīng)過(guò)實(shí)體機(jī)的長(zhǎng)期測(cè)試，因?yàn)椴煌膮?shù)可能引起不同的效果。如-Xnoclassgc參數(shù)等。

推薦的兩款內(nèi)存檢測(cè)工具

1、jconsole JDK自帶的內(nèi)存監(jiān)測(cè)工具，路徑j(luò)dk bin目錄下jconsole.exe，雙擊可運(yùn)行。連接方式有兩種，第一種是本地方式如調(diào)試時(shí)運(yùn)行的進(jìn)程可以直接連，第二種是遠(yuǎn)程方式，可以連接以服務(wù)形式啟動(dòng)的進(jìn)程。遠(yuǎn)程連接方式是：在目標(biāo)進(jìn)程的jvm啟動(dòng)參數(shù)中添加-Dcom.sun.management.jmxremote.port=1090 -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false -Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false 1090是監(jiān)聽(tīng)的端口號(hào)具體使用時(shí)要進(jìn)行修改，然后使用IP加端口號(hào)連接即可。通過(guò)該工具可以監(jiān)測(cè)到當(dāng)時(shí)內(nèi)存的大小，CPU的使用量以及類的加載，還提供了手動(dòng)gc的功能。優(yōu)點(diǎn)是效率高，速度快，在不影響進(jìn)行運(yùn)行的情況下監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的運(yùn)行。缺點(diǎn)是無(wú)法看到類或者對(duì)象之類的具體信息。使用方式很簡(jiǎn)單點(diǎn)擊幾下就可以知道功能如何了，確實(shí)有不明白之處可以上網(wǎng)查詢文檔。

2、JProfiler 收費(fèi)的工具，但是到處都有破解辦法。安裝好以后按照配置調(diào)試的方式配置好一個(gè)本地的session即可運(yùn)行。可以監(jiān)測(cè)當(dāng)時(shí)的內(nèi)存、CPU、線程等，能具體的列出內(nèi)存的占用情況，還可以就某個(gè)類進(jìn)行分析。優(yōu)點(diǎn)很多，缺點(diǎn)太影響速度，而且有的類可能無(wú)法被織入方法，例如我使用jprofiler時(shí)一直沒(méi)有備份成功過(guò)，總會(huì)有一些類的錯(cuò)誤。

JVM specification的實(shí)現(xiàn)及其原理就介紹到這里。

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