前言

JVM一直是面试中比较高频的要点，因此写该篇文章的目的一个是出于之前对JVM内存模型整理的相关知识点做个回顾，另一个则是对JVM问题排查过程中可能会使用到的Command、日志的配置等做一个记录。
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JAVA跨平台特性

Java的跨平台性主要依赖于JVM屏蔽了不同操作系统在硬件指令上的不同。我们知道Java有许多本地方法，如用native修饰的function，其底层针对不同的操作系统有不同的实现。

整体结构图

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内存分配机制

对象创建流程

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类加载检查

虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。

对象分配内存

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。

划分内存的方法

  1. 指针碰撞：如果Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。
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  2. 空闲列表：如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录。

并发解决方案

  1. CAS：通过计算机指令来保证操作的原子性，实现方式如同Automic包的实现。
  2. ThreadLocal：
    把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存。通过­XX:+/­UseTLAB参数来设定虚拟机是否使用TLAB(JVM会默认开启­XX:+UseTLAB)，­XX:TLABSize指定TLAB大小。
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初始化

内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。这一步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

设置对象头

初始化零值之后，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头ObjectHeader之中。在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（InstanceData）和对齐填充（Padding）。HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

MarkWord示例图

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  1. 分代年龄：由于分代年龄只占4bit，因此分代年龄最大为15
  2. 锁状态：JVM4种锁状态，无锁（001）、轻量级锁（00）、重量级锁（11）、偏向锁（101）。具体会在Lock那块做详细说明。
  3. KlassPointer类型指针: 对应的是C++里面对应类对象的指针。当开启指针压缩时占4个字节，关闭占8个字节。

指针压缩

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-XX:+UseCompressedOops(默认开启)，禁止指针压缩:-XX:-UseCompressedOops

指针压缩是在64bit系统下将对象内存指针压缩成32bit，比如内存是8G(2的33次方)、16G（2的34次方）、32G（2的35次方）通过一定的压缩算法将原本需要33bit、34bit、35bit内存长度的指针压缩成32bit存储。

  • 目的
    减少内存消耗、减轻GC压力、减少带宽消耗
  • 注意
    当分配的内存大于32G时，默认使用64bit（即8个字节）的地址长度。
  • 对象填充位
    计算机内部为了方便对象选址，如果对象的大小不满8的整数倍会通过对齐填充成8的整数倍。
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    Object obj = new Object();
    // 那么他的对象大小可能就是8个字节的对象头 + 4个字节的KlassPointer类型指针 + 4个字节的对齐填充位

执行方法

执行方法，即对象按照程序员的意愿进行初始化。对应到语言层面上讲，就是为属性赋值（注意，这与上面的赋零值不同，这是由程序员赋的值），和执行构造方法。（调用底层C++的init方法）

对象内存分配

对象内存分配流程图

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对象栈上分配

当我们new出的对象通过逃逸分析得出该对象没有被外部方法所引用（如方法中局部变量），那么这些对象就能栈上分配空间并且随着方法出栈而被直接销毁。（JVM不会创建这些对象而是将这些对象的成员变量分配在栈上。这个过程叫做标量替换）

逃逸分析及标量替换参数
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-XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateAllocations
例子
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public void test() {
    // 该对象未被外部引用，因此不创建user这个对象，将id和age分配在栈上。其中user叫聚合量，id和age叫标量
    User user = new User();
    user.setId(1);
    user.setAge(19);
}

class User {
    private int id;
    private int age;

    public void setId(int id) {
        this.id = id;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

是否为大对象

大对象就是需要大量连续内存空间的对象（比如：字符串、数组）。JVM参数-XX:PretenureSizeThreshold可以设置大对象的大小，如果对象超过设置大小会直接进入老年代，不会进入年轻代，这个参数只在Serial和ParNew两个收集器下有效。

目的

目的是为了减少大对象内存分配时复制操作的性能损耗

动态年龄判断机制

当前放对象的Survivor区域里(其中一块区域，放对象的那块s区)，一批对象的总大小大于这块Survivor区域内存大小的50%(-XX:TargetSurvivorRatio可以指定)，那么此时大于等于这批对象年龄最大值的对象，就可以直接进入老年代了，例如Survivor区域里现在有一批对象，年龄1+年龄2+年龄n的多个年龄对象总和超过了Survivor区域的50%，此时就会把年龄n(含)以上的对象都放入老年代。这个规则其实是希望那些可能是长期存活的对象，尽早进入老年代。对象动态年龄判断机制一般是在minorgc之后触发的。

老年代空间分配担保机制

年轻代每次minorgc之前JVM都会计算下老年代剩余可用空间如果这个可用空间小于年轻代里现有的所有对象大小之和(包括垃圾对象)就会看一个“-XX:-HandlePromotionFailure”(jdk1.8默认就设置了)的参数是否设置了如果有这个参数，就会看看老年代的可用内存大小，是否大于之前每一次minorgc后进入老年代的对象的平均大小。如果上一步结果是小于或者之前说的参数没有设置，那么就会触发一次Fullgc，对老年代和年轻代一起回收一次垃圾，如果回收完还是没有足够空间存放新的对象就会发生”OOM”当然，如果minorgc之后剩余存活的需要挪动到老年代的对象大小还是大于老年代可用空间，那么也会触发fullgc，fullgc完之后如果还是没有空间放minorgc之后的存活对象，则也会发生“OOM”
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对象内存回收

可达性分析算法

将“GCRoots”对象作为起点，从这些节点开始向下搜索引用的对象，找到的对象都标记为非垃圾对象，其余未标记的对象都是垃圾对象GCRoots根节点：线程栈的本地变量、静态变量、本地方法栈的变量等等

JAVA引用类型

强引用

普通的变量引用

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public static User user = new user();

软引用

将对象用SoftReference软引用类型的对象包裹，正常情况不会被回收，但是GC做完后发现释放不出空间存放新的对象，则会把这些软引用的对象回收掉。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

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public static SoftReference<User> user = new SoftReference<User>(new user());

弱引用

将对象用WeakReference软引用类型的对象包裹，弱引用跟没引用差不多，GC会直接回收掉。

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public static WeakReference<User> user = new WeakReference<User>(new user());

虚引用

基本不用

finalize()方法

每个对象仅有一次调用finalize()的机会，若调用后第二次依旧被标记为垃圾对象则直接回收。

方法区垃圾回收

要回收方法区则需要标记该类为无用类，以下是标为无用类的几个条件

  1. 该类所有的实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类的任何实例
  2. 加载该类的ClassLoader已经被回收
  3. 该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法

需要同事满足以上3个条件才会标记为无用类，因此方法区能回收的空间非常有限。