深入理解JVM的核心知识点

JVM概述

JVM (JAVA 虚拟机)，定义了一套编译、加载、解释执行JAVA代码的规范。基于这套规范市场上不同产品实现，例如Hotspot、JRockit、J9等。

其简易内存体系结构如下：

堆的内存划分

Java堆的内存划分如图所示，分别为年轻代、Old Memory（老年代）、Perm（永久代）。其中在JDK1.8中，永久代被移除，使用MetaSpace代替。

新生代

• 使用复制清除算法（Copinng算法），原因是年轻代每次GC都要回收大部分对象。新生代里面分成一份较大的Eden空间和两份较小的Survivor空间。每次只使用Eden和其中一块Survivor空间，然后垃圾回收的时候，把存活对象放到未使用的Survivor（划分出from、to）空间中，清空Eden和刚才使用过的Survivor空间
• 分为Eden、Survivor From、Survivor To，比例默认为8：1：1
• 内存不足时发生Minor GC

老年代

• 采用标记-整理算法（mark-compact），原因是老年代每次GC只会回收少部分对象

Perm：用来存储类的元数据，也就是方法区

• Perm的废除：在JDK1.8中，Perm被替换成MetaSpace，MetaSpace存放在本地内存中。原因是永久代进场内存不够用，或者发生内存泄漏
• MetaSpace（元空间）：元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存

GC垃圾回收

常见的垃圾回收算法：

Mark-Sweep（标记-清除算法）

• 思想：标记清除算法分为两个阶段，标记阶段和清除阶段。标记阶段任务是标记出所有需要回收的对象，清除阶段就是清除被标记对象的空间
• 优缺点：实现简单，容易产生内存碎片

Copying（复制清除算法）

• 思想：将可用内存划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当进行垃圾回收的时候，把其中存活对象全部复制到另外一块中，然后把已使用的内存空间一次清空掉
• 优缺点：不容易产生内存碎片；可用内存空间少；存活对象多的话，效率低下

Mark-Compact（标记-整理算法）

• 思想：先标记存活对象，然后把存活对象向一边移动，然后清理掉端边界以外的内存
• 优缺点：不容易产生内存碎片；内存利用率高；存活对象多并且分散的时候，移动次数多，效率低下

分代收集算法（目前大部分JVM的垃圾收集器所采用的算法）

思想：把堆分成新生代和老年代（永久代指的是方法区）

• 因为新生代每次垃圾回收都要回收大部分对象，所以新生代采用Copying算法。新生代里面分成一份较大的Eden空间和两份较小的Survivor空间。每次只使用Eden和其中一块Survivor空间，然后垃圾回收的时候，把存活对象放到未使用的Survivor（划分出from、to）空间中，清空Eden和刚才使用过的Survivor空间
• 由于老年代每次只回收少量的对象，因此采用mark-compact算法
• 在堆区外有一个永久代。对永久代的回收主要是无效的类和常量

几种不同的垃圾回收类型：

• Minor GC：从年轻代（包括Eden、Survivor区）回收内存
• Major GC：清理整个老年代，当Eden区内存不足时触发
• Full GC：清理整个堆空间，包括年轻代和老年代。当老年代内存不足时触发

JVM优化

1、一般来说，当survivor区不够大或者占用量达到50%，就会把一些对象放到老年区。通过设置合理的eden区，survivor区及使用率，可以将年轻对象保存在年轻代，从而避免full GC，使用-Xmn设置年轻代的大小

2、对于占用内存比较多的大对象，一般会选择在老年代分配内存。如果在年轻代给大对象分配内存，年轻代内存不够了，就要在eden区移动大量对象到老年代，然后这些移动的对象可能很快消亡，因此导致full GC。通过设置参数：-XX:PetenureSizeThreshold=1000000，单位为B，标明对象大小超过1M时，在老年代(tenured)分配内存空间

3、一般情况下，年轻对象放在eden区，当第一次GC后，如果对象还存活，放到survivor区，此后，每GC一次，年龄增加1，当对象的年龄达到阈值，就被放到tenured老年区。这个阈值可以同构-XX:MaxTenuringThreshold设置。如果想让对象留在年轻代，可以设置比较大的阈值

4、设置最小堆和最大堆：-Xmx和-Xms稳定的堆大小堆垃圾回收是有利的，获得一个稳定的堆大小的方法是设置-Xms和-Xmx的值一样，即最大堆和最小堆一样，如果这样设置，系统在运行时堆大小理论上是恒定的，稳定的堆空间可以减少GC次数，因此，很多服务端都会将这两个参数设置为一样的数值。稳定的堆大小虽然减少GC次数，但是增加每次GC的时间，因为每次GC要把堆的大小维持在一个区间内

5、一个不稳定的堆并非毫无用处。在系统不需要使用大内存的时候，压缩堆空间，使得GC每次应对一个较小的堆空间，加快单次GC次数。基于这种考虑，JVM提供两个参数，用于压缩和扩展堆空间

• -XX:MinHeapFreeRatio 参数用于设置堆空间的最小空闲比率。默认值是40，当堆空间的空闲内存比率小于40，JVM便会扩展堆空间
• -XX:MaxHeapFreeRatio 参数用于设置堆空间的最大空闲比率。默认值是70，当堆空间的空闲内存比率大于70，JVM便会压缩堆空间
• 当-Xmx和-Xms相等时，上面两个参数无效

6、通过增大吞吐量提高系统性能，可以通过设置并行垃圾回收收集器

• -XX:+UseParallelGC 年轻代使用并行垃圾回收收集器。这是一个关注吞吐量的收集器，可以尽可能的减少垃圾回收时间
• -XX:+UseParallelOldGC 设置老年代使用并行垃圾回收收集器

7、尝试使用大的内存分页：使用大的内存分页增加CPU的内存寻址能力，从而提升系统的性能。-XX:+LargePageSizeInBytes设置内存页的大小

8、使用非占用的垃圾收集器。-XX:+UseConcMarkSweepGC老年代使用CMS收集器降低停顿

9、-XXSurvivorRatio=3，表示年轻代中的分配比率：survivor:eden = 2:3

10、JVM性能调优的工具：

（1）jps（Java Process Status）：输出JVM中运行的进程状态信息(现在一般使用jconsole)
（2）jstack：查看java进程内线程的堆栈信息
（3）jmap：用于生成堆转存快照
（4）jhat：用于分析jmap生成的堆转存快照（一般不推荐使用，而是使用Ecplise Memory Analyzer）
（5）jstat：是JVM统计监测工具。可以用来显示垃圾回收信息、类加载信息、新生代统计信息等
（6）VisualVM：故障处理工具

类加载机制

1、可以在IDEA中Run Configurations --> Configuration --> VM options中设置参数：

-XX:+TraceClassLoading  //查看类的加载顺序

-XX:MetaspaceSize=2m  //设置metaspace的大小

-XX:MaxMetaspaceSize=10m  //设置metaspace大小的最大值

2、每一个类的最先加载的三个类

[Loaded java.lang.Object from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.io.Serializable from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Comparable from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.CharSequence from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.String from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.reflect.AnnotatedElement from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.reflect.GenericDeclaration from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.reflect.Type from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Class from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Cloneable from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.ClassLoader from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.System from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Throwable from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Error from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.ThreadDeath from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Exception from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.RuntimeException from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.SecurityManager from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_231\jre\lib\rt.jar]

3、类加载器把class文件中的二进制数据读入到内存中，存放在方法区，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类加载的步骤如下：

• 加载：查找并加载类的二进制数据（把class文件里面的信息加载到内存里面）
• 连接：把内存中类的二进制数据合并到虚拟机的运行时环境中

（1）验证：确保被加载的类的正确性。包括：

A、类文件的结构检查：检查是否满足Java类文件的固定格式
B、语义检查：确保类本身符合Java的语法规范
C、字节码验证：确保字节码流可以被Java虚拟机安全的执行。字节码流是操作码组成的序列。每一个操作码后面都会跟着一个或者多个操作数。字节码检查这个步骤会检查每一个操作码是否合法
D、二进制兼容性验证：确保相互引用的类之间是协调一致的

（2）准备：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值

（3）解析：把类中的符号引用转化为直接引用（比如说方法的符号引用，是有方法名和相关描述符组成，在解析阶段，JVM把符号引用替换成一个指针，这个指针就是直接引用，它指向该类的该方法在方法区中的内存位置）

（4）初始化：为类的静态变量赋予正确的初始值。当静态变量的等号右边的值是一个常量表达式时，不会调用static代码块进行初始化。只有等号右边的值是一个运行时运算出来的值，才会调用static初始化。

4、常见的三种类加载器：

• AppClassLoader--应用类加载器，负责加载我们自己写的类
• ExtClassLoader--扩展类加载器，负责加载扩展包（jre\lib\ext*.jar）
• BootstrapClassLoader--根类加载器，负责加载核心包（jre\lib\rt.jar）

5、类加载类的两种方式：显式加载和隐式加载

（1）显式加载

class classA {
    //类加载时可以执行静态代码块，但不一定会执行
    static {
        System.out.println(11);
    }
}

//不会执行静态代码块
loader.loadClass("cn.appblog.ClassLoader.classA");
//会执行静态代码块
Class.forName("cn.appblog.ClassLoader.classA", true, loader);
//不会执行静态代码块
Class.forName("cn.appblog.ClassLoader.classA", false, loader);

（2）隐式加载的时机：默认都会进行初始化

• 访问类的静态属性时分情况：访问static final修饰的八种基本数据类型和字符串时不会触发类的加载；访问static 修饰的任意属性时都会触发类的加载
• 访问类的静态方法会触发类的加载
• 构建类的对象时会触发类的加载

6、类的被动加载与主动加载

class class1 {
    static int a = 100;
    static {
        System.out.println("class1.static");
    }
}

class class2 extends class1 {
    static {
        System.out.println("class2.static");
    }
}

public class TestClassObject {
    public static void main(String[] args) {
        //class1为主动加载，class2为被动加载(不执行static初始化操作)
        System.out.println(class2.a);
    }
}

class1.static
100