Java virtuelna mašina (JVM) — obavezna štiva za intervju, verzija za napametovanje🍉

Ukratko o memorij modelu JVM-a

Privatne za nit izvršne podatkovne oblasti: brojač programa, stek Java virtuelne mašine, stek lokalnih metoda.

Deljene izvršne podatkovne oblasti: Java hip, oblast metoda.

Ukratko o brojaču programa

Brojač programa predstavlja indikator broja linije bajtkoda koji trenutna nit izvršava.

Brojač programa ne izaziva StackOverflowError ni OutOfMemoryError.

Ukratko o steku virtuelne mašine

Stek Java virtuelne mašine opisuje memorij model izvršavanja Java metoda. Pri kreiranju niti dodeljuje joj se prostor na steku, a po završetku niti taj prostor se prikuplja.

Elementi na steku služe da podrže virtuelnu mašinu pri pozivu metoda; svaka metoda, prilikom izvršavanja, kreira okvir steka (stack frame) koji čuva tabelu lokalnih promenljivih, stek operanada, dinamičku vezu i povratnu adresu i sl.

Stek virtuelne mašine izaziva dve vrste izuzetaka:

StackOverflowError: baca se kada nit zahteva dubinu steka veću od one koju virtuelna mašina dozvoljava.
OutOfMemoryError: baca se ako stek JVM-a može dinamički da se širi, a zauzeće memorije steka premaši ograničenje.

Ukratko o steku lokalnih metoda

Stek lokalnih metoda ima sličnu ulogu kao stek virtuelne mašine, s tim što stek virtuelne mašine služi izvršavanju Java metoda, a stek lokalnih metoda služi lokalnim metodima. Stek virtuelne mašine se može shvatiti kao memorij model za obične Java funkcije, a stek lokalnih metoda kao memorij model za funkcije modifikovane ključnom rečju native.

Stek lokalnih metoda izaziva dve vrste izuzetaka:

StackOverflowError: baca se kada nit zahteva dubinu steka veću od one koju virtuelna mašina dozvoljava.
OutOfMemoryError: baca se ako stek JVM-a može dinamički da se širi, a zauzeće memorije steka premaši ograničenje.

Ukratko o hipu u JVM-u

Glavna uloga hipa je čuvanje instanci objekata; u Javi se gotovo sve instance objekata alociraju na hipu, i hip je i najveća oblast u upravljanju memorijom. Java sakupljanje otpada se uglavnom odnosi na ovu oblast — hip. Preko -Xms i -Xmx mogu se podesiti minimalan i maksimalan kapacitet hipa.

Hip baca OutOfMemoryError.

Ukratko o oblasti metoda

Oblast metoda služi za čuvanje podataka o klasi, konstantama, statičkim promenljivama i sl. koje je učitala virtuelna mašina.

Pre JDK6 oblast metoda se realizovala preko trajne generacije (permanent generation), koja lako preliva memoriju. JDK7 iz trajne generacije iznosi bazen konstanti niski, statičke promenljive i sl. JDK8 napušta trajnu generaciju i oblast metoda realizuje meta-prostorom (metaspace) koji se nalazi u lokalnoj memoriji, prebacujući sadržaj trajne generacije iz JDK7 u meta-prostor.

Oblast metoda baca OutOfMemoryError.

Ukratko o bazenu konstanti u vreme izvršavanja

Bazen konstanti u vreme izvršavanja čuva tabelu bazena konstanti, u koju idu razni literali i simboličke reference koje generiše kompajler. Pored simboličkih referenca opisanih u Class fajlu, u njega se smeštaju i direktne reference dobijene prevodom simboličkih referenca. Osim toga, čuva i niske i osnovne tipove.

Pre JDK8 nalazio se u oblasti metoda, pa mu je veličina bila ograničena oblasti metoda. JDK8 smešta bazen konstanti u vreme izvršavanja u hip.

Ukratko o direktnoj memoriji

Direktna memorija se naziva i memorijom van hipa — memorijski objekat se alocira u memorijskoj oblasti van JVM hipa. Njom ne upravlja virtuelna mašina, već operativni sistem. Java nad njom operiše preko DirectByteBuffer-a, čime se izbegava prepisivanje podataka tamo-amo između Java hipa i Native hipa.

Ukratko o procesu kreiranja objekta u Javi

Proverava se da li parametar te instrukcije može u bazenu konstanti da locira simboličku referencu na klasu, i da li je klasa koju ta referenca predstavlja već učitana, raščlanjena i inicijalizovana; ako nije, najpre se izvršava učitavanje klase.
Po uspešnoj proveri, virtuelna mašina novom objektu dodeljuje memoriju.
Po završetku dodele memorije, virtuelna mašina postavlja promenljive članove na nultu vrednost.
Postavlja se zaglavlje objekta, u koje idu heš-kôd, GC informacije, informacije o brodu, meta-informacije klase kojoj objekat pripada i sl.
Izvršava se metod init, inicijalizuju se promenljive članovi, izvršava blok koda instanciranja, poziva konstruktor klase, i početna adresa objekta na hipu dodeljuje se referentnoj promenljivoj.

Ukratko o strategiji dodele memorije objektu u JVM-u

Bump pointer: u memoriji se postavlja jedan pokazivač kao granični indikator, koji iskorišćenu memoriju drži sa jedne, a slobodnu sa druge strane; dodela se vrši pomeranjem pokazivača.
Slobodna lista (free list): kada memorija Java hipa nije neprekidna, virtuelna mašina mora da održava listu koja beleži ko je memorija dostupna; pri dodeli iz liste se pronalazi dovoljno veliki prostor, dodeljuje objektu i ažurira se zapis liste.

Kako se pri dodeli memorije Java objektu garantuje bezbednost niti

Prvi način: CAS mehanizam uz ponovni pokušaj pri neuspehu, čime se garantuje atomarnost operacije ažuriranja. Ovaj način je manje efikasan.

Drugi način: svaka nit unapred dobije mali komad memorije na Java hipu, pa pri dodeli memorije objektu to obavi neposredno u toj svojoj "privatnoj" memoriji. U pravilu se koristi ova strategija.

Ukratko o memorijskom rasporedu objekta

Raspored čuvanja objekta u memoriji hipa deli se na zaglavlje objekta, podatke instance i poravnanje (padding).

Zaglavlje objekta uglavnom sadrži dva dela podataka: MarkWord i pokazivač tipa.

MarkWord služi za čuvanje heš-koda (HashCode), uzrasta GC generacije, bita oznake stanja broda, broda koji drži nit, ID pristrasne niti i sl.

Pokazivač tipa jeste pokazivač kojim objekat ukazuje na metapodatke svoje klase; ako je objekat Java niz, postojiće i deo koji beleži dužinu niza.

Podaci instance čuvaju informacije o poljima različitih tipova definisanim u kôdu.
Poravnanje služi kao mesto za popunu. Virtuelna mašina HotSpot zahteva da početna adresa objekta bude višekratnik broja 8, pa je potrebno poravnanje.

Kako se utvrđuje da li je objekat otpad

Metod brojača referenci:

Postavlja se brojač referenci: kad se objekat referencira, brojač se uveća za 1, a kad referenca prestane da važi, smanji se za 1; ako je brojač 0, objekat se označava kao otpad. Postoji problem kružnih referenci između objekata, pa se ovaj metod uglavnom ne koristi.

Analiza dostižnosti:

Polazeći od korenskog objekta GC Roots kao početnog čvora, prema odnosu referenci pretražuje se nadole; ako neki objekat ne bude pronađen, označava se kao otpad. Objekti koji mogu biti GC Roots obuhvataju objekte referencirane u steku virtuelne mašine i steku lokalnih metoda, objekte referencirane statičkim svojstvima klase i objekte referencirane konstantama.

Ukratko o tipovima referenci u Javi

Jaka referenca: objekat na koji ukazuje jaka referenca neće biti prikupljen. Jaka referenca se obično kreira operatorom new.
Meka referenca: objekat na koji ukazuje meka referenca prikuplja se tek kada ponestane memorije. Meka referenca se obično kreira klasom SoftReference.
Slaba referenca: sakupljač otpada je prikuplja čim je sretne, što znači da živi samo do sledećeg sakupljanja otpada. Slaba referenca se obično kreira klasom WeakReference.
Fantomska referenca (phantom reference): preko nje se ne može dobiti objekat. Njena jedina svrha jeste da se prilikom prikupljanja objekta dobije sistemsko obaveštenje. Fantomska referenca mora da se koristi zajedno sa redom referenci.

Ukratko o algoritmima mark-sweep, mark-compact i mark-copy

Mark-sweep: prvo se označe objekti koje treba ukloniti, a zatim se prikupljaju u jednom potezu. Ovaj metod nije naročito efikasan i stvara mnogo nepovezanih fragmenata.
Mark-compact: prvo se označe živi objekti, zatim se svi živi objekti pomeraju ka jednom kraju, a potom se oslobađa memorija s one strane granice tog kraja.
Mark-copy: dostupna memorija se po kapacitetu podeli na dva jednaka dela, i svaki put se koristi samo jedan. Kada se taj deo potroši, živi objekti se kopiraju u drugi deo, a ranije iskorišćen memorijski prostor se u jednom potezu oslobađa.

Ukratko o generacijskom algoritmu sakupljanja

Prema ciklusu preživljavanja objekata memorija se deli na nekoliko oblasti, i za različite oblasti se koriste odgovarajući algoritmi sakupljanja.

Uobičajeno se hip deli na mladu generaciju i staru generaciju, i za te dve oblasti se koriste različiti algoritmi.

Mlada generacija koristi: mark-copy algoritam.

Stara generacija koristi: mark-sweep ili mark-compact algoritam.

Ukratko o sakupljaču otpada Serial

Serial je jednonitni, serijski sakupljač otpada. Pri sakupljanju otpada mora da pauzira sve ostale niti. Mlada generacija koristi mark-copy algoritam, a stara generacija mark-compact algoritam. Jednostavan je i efikasan.

Ukratko o sakupljaču otpada ParNew

Sakupljač otpada ParNew se može smatrati višenitnom verzijom sakupljača Serial; mlada generacija koristi mark-copy algoritam, a stara generacija mark-compact algoritam.

Ukratko o sakupljaču otpada Parallel Scavenge

Fokusira se na propusnost (throughput), odnosno odnos vremena rada CPU-a na kôd i ukupnog vremena CPU-a (vreme rada na kôd + vreme sakupljanja otpada). Mlada generacija koristi mark-copy algoritam, a stara generacija mark-compact algoritam.

Ukratko o sakupljaču otpada CMS

Sakupljač otpada CMS fokusira se na najkraće vreme pauze. CMS je najranije predloženi konkurentni sakupljač; nit sakupljanja otpada radi istovremeno sa nitima korisnika. Koristi mark-sweep algoritam. Ovaj sakupljač se deli na sledeće korake: inicijalno označavanje, konkurentno označavanje, konkurentno prečišćavanje, konkurentno uklanjanje i konkurentno resetovanje.

Inicijalno označavanje: pauziraju se ostale niti (stop the world) i označe se objekti direktno povezani sa GC roots.
Konkurentno označavanje: proces analize dostižnosti (program ne pauzira).
Konkurentno prečišćavanje: pronalaze se objekti koji su u fazi konkurentnog označavanja napredovali iz mlade u staru generaciju, ponovo se označavaju, a virtuelna mašina se pauzira (stop the world) i skeniraju se preostali objekti u CMS hipu.
Konkurentno uklanjanje: uklanjaju se otpadni objekti (program ne pauzira).
Konkurentno resetovanje: resetuju se strukture podataka CMS sakupljača.

Ukratko o sakupljaču otpada G1

Za razliku od Serial, Parallel Scavenge i CMS, sakupljač otpada G1 hip deli na više međusobno jednakih nezavisnih oblasti (Region), pa mlada i stara generacija više nisu fizički odvojene. Uvođenjem pojma Region, prvobitno jedinstven memorijski prostor se deli na više malih prostora, tako da svaki mali prostor može nezavisno da obavi sakupljanje otpada.

Inicijalno označavanje: označe se objekti direktno povezani sa GC roots.
Konkurentno označavanje: analiza dostižnosti.
Konačno označavanje: objekti koje je nit korisnika izmenila tokom konkurentnog označavanja ponovo se označe.
Selektivno prikupljanje: za svaki Region se poredi vrednost prikupljanja i trošak, a zatim se, na osnovu GC vremena pauze koje korisnik želi, sastavlja plan prikupljanja i obavlja prikupljanje.

Ukratko o Minor GC

Minor GC je sakupljanje otpada koje se dešava u mladoj generaciji; pošto Java objekti uglavnom kratko žive, Minor GC je veoma čest, a brzina prikupljanja je obično i velika.

Ukratko o Full GC

Full GC čisti ceo prostor hipa — uključujući mladu generaciju i trajnu generaciju. Poziv System.gc(), nedovoljno prostora u staroj generaciji, neuspeh jemstva za dodelu prostora i nedovoljno prostora u trajnoj generaciji mogu izazvati Full GC.

Uobičajene strategije dodele memorije

U većini slučajeva objekti se dodeljuju u oblasti Eden mlade generacije; kada Eden nema dovoljno prostora, pokreće se jedan Minor GC.

Veliki objekti zahtevaju mnogo neprekidnog memorijskog prostora, pa idu direktno u dodelu u staroj generaciji.

Ako objekat preživi prvi Minor GC i Survivor ga može primiti, biće premešten u Survivor sa uzrastom 1, i posle svakog preživljenog Minor GC uzrast mu se uveća za 1; kada naraste do određenog nivoa (podrazumevano 15), biva unapređen u staru generaciju.

Ako u Survivor-u zbir veličina svih objekata istog uzrasta premaši polovinu Survivor-a, objekti uzrasta ne manjeg od tog mogu ići direktno u staru generaciju.

Pre Minor GC, virtuelna mašina mora da proveri da li je najveći raspoloživi neprekidni prostor stare generacije veći od ukupnog prostora objekata mlade generacije; ako jeste, taj Minor GC je sigurno bezbedan. Ako nije, JVM proverava da li parametar HandlePromotionFailure dozvoljava neuspeh jemstva; ako dozvoljava, nastavlja da proverava da li je najveći raspoloživi neprekidni prostor stare generacije veći od prosečne veličine objekata koji su prošlih puta napredovali u staru generaciju — ako jeste, obavlja se Minor GC, a inače se pretvara u jedan Full GC.

Ukratko o procesu učitavanja klase u JVM-u

Učitavanje:

Pribavlja se binarni tok bajtova klase preko punog imena klase.
Statička struktura za čuvanje klase pretvara se u izvršnu strukturu podataka oblasti metoda.
U memoriji se generiše Class objekat klase, kao ulaz u podatke oblasti metoda.

Provera: proverava se ispravnost formata fajla, metapodataka, bajtkoda, simboličkih referenci i sl.
Priprema: u oblasti metoda se promenljivim klase dodeljuje memorija i postavljaju se na nultu vrednost.
Raščlanjivanje: simboličke reference se pretvaraju u direktne reference.
Inicijalizacija: izvršava se metod klase konstruktor clinit, čime se vrši stvarna inicijalizacija.

Ukratko o učitavačima klasa u JVM-u

BootstrapClassLoader (učitavač pri pokretanju): učitava jar pakete i klase ispod /lib. Pisan u C++-u.
ExtensionClassLoader (učitavač proširenja): jar paketi i klase iz direktorijuma /lib/ext. Pisan u Javi.
AppClassLoader (aplikativni učitavač): učitava jar pakete i klase sa trenutnog classPath-a. Pisan u Javi.

Ukratko o mehanizmu delegiranja roditelju

Kada učitavač klase dobije zahtev za učitavanje klase, najpre proverava da li je ta klasa već učitana. Već učitana klasa se odmah vraća; ako nije učitana, zahtev za učitavanje se najpre prosleđuje roditeljskom učitavaču, i tako redom do učitavača pri pokretanju; tek kada roditeljski učitavač ne može da završi posao, pokušava sam da učita.

Redosled učitavanja klasa: BootstrapClassLoader -> ExtensionClassLoader -> AppClassLoader -> CustomClassLoader; redosled provere da li je klasa učitana: CustomClassLoader -> AppClassLoader -> ExtensionClassLoader -> BootstrapClassLoader.

Prednosti mehanizma delegiranja roditelju

Izbegava se ponovljeno učitavanje klasa. Ista klasa učitana različitim učitavačima dala bi različite klase; delegiranje roditelju garantuje stabilan rad Java programa.
Garantuje da se jezgro API ne izmeni.
Kako razbiti mehanizam delegiranja roditelju:
preopteretiti metod loadClass(), odnosno definisati sopstveni učitavač klase.

Kako izgraditi sopstveni učitavač klase

Napravi se nova klasa koja nasleđuje java.lang.ClassLoader i prepisuju se metode findClass, loadClass, defineClass.

Uobičajeni parametri za štelovanje JVM-a

-Xms: početna veličina hipa.
-Xmx: maksimalna veličina hipa.
-XX:NewSize: veličina mlade generacije.
-XX:MaxNewSize: maksimalna vrednost mlade generacije.
-XX:PermSize: početna vrednost trajne generacije.
-XX:MaxPermSize: maksimalna vrednost trajne generacije.
-XX:NewRatio: odnos mlade i stare generacije.

Autor priloga: Houduan Jishu Xiaoniu Shuo Izvorni link: https://mp.weixin.qq.com/s/PmeH38qWVxyIhBpsAsjG7w