JVM-Speicherverwaltung

Die Leute sagen, dass C großartig ist, weil C Probleme vollständig von den Programmierern selbst löst. Sie wissen genau, wie ihr Programm im Speicher aussieht. Was Java betrifft, müssen Sie nicht allzu viel über das Betriebssystem wissen und sich nicht ständig mit Speicherproblemen befassen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass wir die Prinzipien nicht verstehen müssen dahinter (tatsächlich wurde ich vom C OoO des Unternehmens lächerlich gemacht). Der Grund, warum Java einfach zu starten ist, liegt darin, dass die schwierigsten Probleme von Vorgängern gelöst wurden, und das alles ist auf die Java Virtual Machine zurückzuführen. Die JVM ist eigentlich ein abstrakter Computer mit einem eigenen Befehlssatz Sprache und eine eigene Speicherverwaltung. Diese Serie wird nach und nach ihre wahre Identität enthüllen.

Dieser Artikel basiert auf der virtuellen Java HotSpot™-Maschine, JDK 1.8, und behandelt Folgendes:

JVM-interne Struktur

JVM-Speicherverwaltung

JVM Speichermodell

Abbildung 1 JVM-interne Struktur

1. JVM-interne Struktur

Der Prozess der Ausführung eines Programms ist wie folgt: C-Sprache als Beispiel, Quelle Der Code wird zunächst in eine ausführbare Datei kompiliert und in binärer Form auf der Festplatte gespeichert. Bei der Ausführung wird er zunächst von der Festplatte in den Speicher geladen, und dann beginnt der Prozessor mit der Ausführung der Maschinenanweisungen das Zielprogramm. Im Gegensatz dazu wird Java zunächst in eine Bytecode-Datei kompiliert, die nichts mit der Plattform zu tun hat. Die JVM wird über den ClassLoader in den Speicher geladen und führt dann die Maschinenanweisungen aus. Mit Bytecode und JVM erreicht Java Plattformunabhängigkeit. JVM kann auch als Prozess betrachtet werden. Es gilt beim Start für einen Teil des Speichers und unterteilt den Speicher dann entsprechend unterschiedlicher Funktionen in die folgenden verschiedenen Bereiche:

(1) Heap

Heap, ein sehr wichtiger Bereich, der von allen Threads gemeinsam genutzt wird. Grundsätzlich werden hier alle Objektinstanzen zugewiesen, und hier findet auch die meiste Speicherbereinigung statt. Dieser Teil des Speichers wird von der JVM mithilfe des Garbage Collectors (automatisches Speicherverwaltungstool) verwaltet. Seine Aufgabe besteht darin, Speicher für Objekte zuzuweisen und freien Speicher freizugeben. Die Größe des Java-Heaps kann mithilfe von Parametern gesteuert werden, um zu bestimmen, ob er fest oder dynamisch erweitert ist.

(2) JVM-Stacks

Der Stack ist eng mit dem Thread verbunden. Er lebt und stirbt mit dem Thread. Er ist der Speicher, in dem der Thread arbeitet . Der Java-Stack und der lokale Methodenstapel in HotSpot werden zu einem zusammengefasst und beide werden im lokalen Speicherbereich zugewiesen. Dieser Teil des Speichers muss nicht absichtlich von der JVM verwaltet werden. Der JVM-Stapel wird hauptsächlich zum Speichern von Stapelrahmen verwendet. Wenn eine Methode aufgerufen wird, wird ein Stapelrahmen erstellt und zerstört, wenn die Methode abgeschlossen ist. Aus Sicht des Stapels gibt es zwei Vorgänge: Push und Pop.

Ein Stapelrahmen ist eine Datenstruktur, die zum Speichern lokaler Variablen, Operandenstapel und Verweise auf den Laufzeitkonstantenpool der aktuellen Klasse verwendet wird. Lokales Variablenarray: Wird zum Speichern der in der Methode definierten Basistypvariablen verwendet. Der Index beginnt bei 0. Die JVM verwendet die lokale Variablentabelle, um die Methodenparameter zu übergeben. Wenn eine Instanzmethode aufgerufen wird, speichert sie diese Referenz das aktuelle Objekt; der Operand Stack: wird verwendet, um Operationen durchzuführen und Parameter für den Methodenaufruf vorzubereiten und Ergebnisse von Methoden zurückzugeben: Laufzeitkonstantenpool von Referenzobjekten;

(3) PC-Register

Der Programmzähler ist für den Thread privat. Seine Hauptfunktion besteht darin, die Befehlsadresse zu speichern, abzurufen, zu dekodieren und auszuführen. Jeder Thread ist mit eindeutigen Stapel- und PC-Registern verknüpft.

(4) Metaspace

Metaspace, die HotSpot-VM vor JDK8, wird als Methodenbereich oder permanente Generation bezeichnet. Sie speichert die Strukturinformationen einer Klasse, z als Konstanten. Wird im lokalen Speicher gespeichert und hat keinen Bezug zum Heap.

(5) Native Methodenstacks

Der JVM-Stack ist für Java-Methoden vorbereitet und der lokale Methodenstack dient der virtuellen Maschine zum Aufrufen lokaler Methoden.

2. JVM-Speicherverwaltung

　Java erlaubt keine direkte Manipulation des Speichers und die Anwendung und Freigabe des Speichers werden von der virtuellen Maschine verwaltet.

2.1 Garbage Collection Automatische Speicherverwaltung

Verantwortlichkeiten der automatischen Speicherverwaltung (im Folgenden als GC bezeichnet):

Speicher zuweisen

Stellen Sie sicher, dass Referenzobjekte erhalten bleiben Speicher

Recyceln Sie den Speicher nicht erreichbarer Referenzobjekte

　GC löst die meisten Speicherzuweisungsprobleme und belegt selbst auch bestimmte Ressourcen. Die Garbage Collection wird ausgelöst, wenn der Heap voll ist oder wenn eine seiner Komponenten einen Schwellenwert erreicht. Bei der Müllabfuhr werden hauptsächlich die folgenden Aspekte berücksichtigt: Wenn der Haufen klein ist, ist die Anzahl der Recycling-Zeiten höher. Wenn der Haufen groß ist, ist die Anzahl der Recycling-Zeiten geringer Recycling ist langwierig; Speicherfragmentierungsproblem; Speicherbereinigung unter Multithread-Programmen.

Garbage-Collection-Strategie:

(1) Seriell versus Parallel

Seriell kann nur ein Garbage-Collection-Thread gleichzeitig arbeiten. In einem Multi-CPU-System können mehrere Garbage-Collection-Threads gleichzeitig arbeiten.

(2) Concurrent versus Stop-the-World (Concurrent versus Stop-the-World)

Stop-the-World-Garbage Collector, während des Recyclingzeitraums unterbricht die Anwendung ihre Arbeit vollständig Zu diesem Zeitpunkt ist der Heap gleichbedeutend mit dem Einfrieren und der Status des Objekts ist unveränderlich. Eine oder mehrere Garbage Collection-Aufgaben werden gleichzeitig mit der Anwendung ausgeführt, und es kann zu einem kurzen Stop-the-World-Vorgang kommen . Während der Erfassung kann sich der Status des Objekts ändern.

(3) Kopieren

Teilen Sie den Speicher beim Recycling in die andere Hälfte des Speicherplatzes und löschen Sie dann den aktuellen Speicher . Die Speicherauslastung ist jedoch relativ gering.

(4) Komprimieren im Vergleich zu Nicht-Komprimieren

Markieren Sie das Clearing, markieren Sie wiederverwertbare Objekte und recyceln Sie sie gleichmäßig, ohne Speicherkomprimierung. Dies führt zu einer großen Speicherfragmentierung, wenn große Objekte zugewiesen werden Möglicherweise ist es nicht möglich, zusammenhängenden Speicher zu finden. Nach dem Markieren wird der Speicher zunächst komprimiert und sortiert, und alle verbleibenden Objekte werden zum Recycling zusammengestellt.

(5) Generationensammlung

Teilen Sie den Haufen in mehrere Bereiche auf, die neue Generation und die alte Generation verwenden oben unterschiedliche Recyclingmethoden.

2.2 Generationssammlung in HotSpot

In HotSpot ist der Speicher in die neue Generation und die alte Generation unterteilt. Die neue Generation ist in Eden- und zwei Survivor-Räume gleicher Größe unterteilt von ihnen Objekte werden in Eden zugewiesen, und einige große Objekte können direkt der alten Generation zugewiesen werden.

Die Struktur des Heaps ist wie folgt:

Abbildung 2 Heap