JVM 是 Java 程序運(yùn)行基礎(chǔ)误阻，面試時(shí)一定會遇到 JVM 相關(guān)的題。本文會先對面試中 JVM 的考察點(diǎn)進(jìn)行匯總介紹晴埂。然后對 JVM 內(nèi)存模型究反、Java 的類加載機(jī)制、常用的 GC 算法這三個(gè)知識點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)講解儒洛。

1. JVM知識點(diǎn)匯總

JVM 知識點(diǎn)匯總

如上圖所示精耐，JVM 知識點(diǎn)有 6 個(gè)大方向，其中琅锻，內(nèi)存模型卦停、類加載機(jī)制、GC 垃圾回收是比較重點(diǎn)的內(nèi)容浅浮。性能調(diào)優(yōu)部分偏重實(shí)際應(yīng)用，重點(diǎn)突出實(shí)踐能力捷枯。編譯器優(yōu)化和執(zhí)行模式部分偏重理論基礎(chǔ)滚秩，主要掌握知識點(diǎn)。

在開始下文前淮捆，看下你是否能夠回答以下知識點(diǎn)：

• 內(nèi)存模型：程序計(jì)數(shù)器郁油、方法區(qū)、堆攀痊、棧桐腌、本地方法棧的作用，保存哪些數(shù)據(jù)苟径；
• 類加載：雙親委派的加載機(jī)制案站，以及常用類加載器分別加載哪種類型的類；
• GC：堆內(nèi)存劃分棘街，分代回收的思想和依據(jù)蟆盐，以及不同垃圾回收算法實(shí)現(xiàn)的思路、適合的場景遭殉；
• JVM調(diào)優(yōu)：常用的JVM優(yōu)化參數(shù)的作用石挂，參數(shù)調(diào)優(yōu)的依據(jù)，常用的JVM分析工具分析哪類問題及適用方法险污；
• 執(zhí)行模式
• 編譯器優(yōu)化

2. JVM 內(nèi)存模型

JVM內(nèi)存模型主要指運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)痹愚，包括如下5個(gè)部分

JVM內(nèi)存模型

• 棧：
  也叫方法棧，線程私有，線程在執(zhí)行每個(gè)方法時(shí)拯腮，都會創(chuàng)建一個(gè)棧楨窖式，用于存儲整個(gè)執(zhí)行過程和狀態(tài)；調(diào)用方法時(shí)執(zhí)行入棧疾瓮，方法返回時(shí)執(zhí)行出棧脖镀；
• 本地方法棧：
  和方法棧類似，不同的時(shí)狼电，執(zhí)行Java方法使用的是棧蜒灰，而執(zhí)行native方法時(shí)使用的是本地方法棧；
• 程序計(jì)數(shù)器：
  當(dāng)前線程執(zhí)行字節(jié)碼的行號指示器肩碟，通過它可以知道下一條要執(zhí)行的指令强窖，每個(gè)線程獨(dú)占互不影響，保證線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置削祈；
• 堆：
  JVM管理的內(nèi)存中最大的一塊翅溺，存放的是對象實(shí)例；根據(jù)對象存活的周期不同髓抑，JVM把堆內(nèi)存進(jìn)行分帶管理咙崎，由垃圾收集器進(jìn)行對象的回收管理；
• 方法區(qū)：
  存儲已被虛擬機(jī)加載的類信息吨拍、常量褪猛、靜態(tài)變量等數(shù)據(jù)；JDK8之前使用堆上的永久代作為方法區(qū)羹饰，而JDK8使用元空間（Meta-space）來代替伊滋；運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分，用于存放編譯期生成的各種字面量與符號引用（類被加載時(shí)觸發(fā)）队秩，字符串常量池也在方法區(qū)中笑旺；
  注意：Class對象(Class.forName)是放在堆中的，而不是方法區(qū)馍资，class對象是生成的最終實(shí)例筒主，一切實(shí)例對象都放在堆中，方法區(qū)是存儲Class的基本信息鸟蟹；

3. 類加載機(jī)制

類的加載過程是指將編譯好的class類文件的字節(jié)碼讀入到內(nèi)存中物舒，將其存在方法區(qū)并創(chuàng)建對應(yīng)的Class對象；類的加載分為加載戏锹、鏈接冠胯、初始化，其中鏈接又包含驗(yàn)證锦针、準(zhǔn)備荠察、解析三步置蜀，如圖所示

JVM類的加載過程

• 加載
  1）通過類的全限定名獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流（類加載器做的事）；
  2）將字節(jié)流說代表的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
  3）在內(nèi)存中創(chuàng)建這個(gè)類的Class對象，作為方法區(qū)這個(gè)類的各種數(shù)據(jù)的訪問入口症虑；
• 驗(yàn)證
• 準(zhǔn)備
• 解析
• 初始化
  主要完成靜態(tài)代碼塊的執(zhí)行和靜態(tài)變量的賦值桃焕，只有對類主動使用時(shí)匪凉，才進(jìn)行初始化；初始化的觸發(fā)條件：
  1）創(chuàng)建類的實(shí)例
  2）訪問類的靜態(tài)變量或靜態(tài)方法
  3）Class.forName反射類
  4）某個(gè)子類被初始化
• 卸載
  當(dāng)類對象（注意不是類的實(shí)例）不再被使用時(shí)是會被GC卸載回收的，需要注意的時(shí)JVM自帶的三個(gè)類加載器加載的類在虛擬機(jī)的整個(gè)生命周期中是不會被卸載的，只有用戶自定義的類加載器加載的類才會被卸載灼卢；

3.1 類加載器

如下圖，JVM自帶的三個(gè)類加載器分別是：BootStrap啟動類加載器来农、擴(kuò)展類加載器鞋真、應(yīng)用加載器；以及分別對應(yīng)的加載目錄沃于；

JVM類加載模式

雙親委派

java的類加載使用雙親委派模式涩咖，即一個(gè)類加載器在加載類時(shí)，會遞歸的委托給父類加載器去執(zhí)行繁莹，直至頂層的啟動類加載器檩互，如果父類加載器能夠加載，則返回成功咨演，否則子加載器才會自己嘗試加載闸昨；
對于兩個(gè)不同的類加載器（自定義的、沒有繼承關(guān)系）雪标，加載同一個(gè)類零院，會導(dǎo)致兩個(gè)類不等溉跃；

雙親委派的好處

1. 避免重復(fù)加載
2. 防止對JDK核心類進(jìn)行篡改村刨，比如String.class由啟動類加載器加載，如果想篡改String類撰茎，那么不會生效嵌牺；

4. GC

4.1 對象已死？

判定對象的存活都與“引用”有關(guān)龄糊，有兩種方法去判斷一個(gè)對象已經(jīng)“死了”逆粹；

• 引用計(jì)數(shù)算法
  已經(jīng)被淘汰的算法，通過添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器來判斷對象是否還在被引用炫惩，解決不了循環(huán)引用的問題僻弹；
• 可達(dá)性分析算法
  從GC roots往下搜索，所走的路徑叫引用鏈他嚷，如果有有對象沒有與引用鏈相連的話蹋绽，證明對象是不可用的芭毙；GC roots包括：
  棧中引用的對象、方法區(qū)靜態(tài)引用指向的對象卸耘、方法區(qū)常量引用指向的對象退敦、本地方法棧Native引用的對象

再談引用

如果一個(gè)對象只被定義為“被引用”或者“未被引用”兩種狀態(tài)，那么對于一些“食之無味蚣抗，棄之可惜”的對象就無能無力侈百；由此產(chǎn)生了四種引用類型：

• 強(qiáng)引用：傳統(tǒng)“引用”的定義，只要被強(qiáng)引用關(guān)聯(lián)的對象永遠(yuǎn)不會被回收翰铡；
• 軟引用：內(nèi)存不夠時(shí)被回收钝域；
• 弱引用：比軟引用更弱，下一次垃圾收集時(shí)被回收两蟀；
• 虛引用：最弱网梢，用來跟蹤對象被垃圾回收的活動（對象被回收時(shí)收到一個(gè)通知）；

4.2 分代回收

JVM的堆內(nèi)存被分代管理赂毯，包括新生代和老年代战虏，這樣做主要是為了兼顧垃圾收集的時(shí)間開銷和內(nèi)存的空間有效利用；大部分對象很快就不再使用党涕；

• Minor GC：對新生代的對象的收集烦感；
• Major GC：對舊生代的對象的收集，出現(xiàn)Major GC通常會出現(xiàn)至少一次Minor GC膛堤；
• Full GC：全局范圍的GC手趣，程序中主動調(diào)用System.gc()強(qiáng)制執(zhí)行的GC；出發(fā) Full GC的條件有：當(dāng)年輕代晉升到老年代放不下時(shí)肥荔、老年代使用率超過閾值绿渣、永久代/元空間不足時(shí)、System.gc()燕耿；

GC的執(zhí)行過程

新生代區(qū)分為3個(gè)部分：1個(gè)eden區(qū)中符、2個(gè)Survivor區(qū)（from和to，復(fù)制算法）誉帅，新創(chuàng)建的對象都會被分到Eden區(qū)淀散，這些對象經(jīng)過一次Minor GC后，如果仍然存活蚜锨，則會被分配到Survivor區(qū)档插，然后在Survivor區(qū)每熬過一次Minor GC后年齡就會增長一歲，達(dá)到一定年齡后亚再，就被移動到老年代中郭膛。

• 詳細(xì)過程：
  GC開始前，對象只會存在于Eden區(qū)和from區(qū)氛悬，to是空的则剃，當(dāng)GC開始時(shí)凄诞，Eden中所有存活的對象都會被移動到To里，而from區(qū)域中仍然存活的對象會根據(jù)年齡來決定去向忍级，年齡達(dá)到閥值的帆谍，則移動到老年區(qū)，沒有的移動到to區(qū)域轴咱，經(jīng)過gc后汛蝙，eden和from區(qū)域被清空，然后from和to對換朴肺，保證to區(qū)域?yàn)榭战呀！inor GC會一直重復(fù)這樣的過程，直到“To”區(qū)被填滿戈稿，“To”區(qū)被填滿之后西土，會將所有對象移動到年老代中。

4.3 垃圾回收算法

• 標(biāo)記-清除
  老年代常用回收算法鞍盗；最基本的算法需了，兩個(gè)階段：先標(biāo)記要回收的對象，然后一次性回收
  缺點(diǎn)：效率低般甲，清除后會產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片（空間碎片太多可能會導(dǎo)致當(dāng)程序需要分配大對象時(shí)無法找到連續(xù)的內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)一次GC）肋乍；
• 復(fù)制算法
  年輕代常用回收算法；把內(nèi)存劃分為兩等分敷存，只使用其中一個(gè)區(qū)域墓造，垃圾回收時(shí)，將使用區(qū)域里存活的對象復(fù)制到另一個(gè)區(qū)域中锚烦，然后清除使用區(qū)域觅闽，類似Survivor的from和to；
  缺點(diǎn)：需要兩倍內(nèi)存空間涮俄，內(nèi)存使用率較低
• 標(biāo)記-整理
  結(jié)合了標(biāo)記-清除和復(fù)制的優(yōu)點(diǎn)
  將根節(jié)點(diǎn)開始標(biāo)記被引用的對象蛉拙，然后掃描整個(gè)堆，清除未標(biāo)記對象禽拔，然后把存活對象“壓縮”到堆的其中一塊刘离，順序排放
  缺點(diǎn)：效率低

4.4 常見垃圾收集器

JVM 中提供的年輕代垃圾收集器 Serial室叉、ParNew睹栖、Parallel Scavenge 都是復(fù)制算法，而 CMS茧痕、G1野来、ZGC 都屬于標(biāo)記清除算法。

JDK版本默認(rèn)垃圾收集器

jdk1.7 默認(rèn)垃圾收集器Parallel Scavenge（新生代）+Parallel Old（老年代）
jdk1.8 默認(rèn)垃圾收集器Parallel Scavenge（新生代）+Parallel Old（老年代）
jdk1.9踪旷、10曼氛、11 默認(rèn)垃圾收集器G1
-XX:+PrintCommandLineFlagsjvm參數(shù)可查看默認(rèn)設(shè)置收集器類型
-XX:+PrintGCDetails亦可通過打印的GC日志的新生代豁辉、老年代名稱判斷

CMS

JDK1.7之前最主流的垃圾回收器；使用標(biāo)記-清除算法舀患，并發(fā)收集停頓谢占丁；

CMS

三色標(biāo)記算法

G1

G1取消了堆中年輕代與老年代的物理劃分聊浅，但它依然屬于分代收集器餐抢；G1算法將堆劃分為若干Region區(qū)域，一部分作為新生代一部分作為老年代低匙；

G1算法

ZGC

JDK11提供的高效垃圾回收算法旷痕，針對大堆內(nèi)存設(shè)計(jì)；主要特點(diǎn)：著色指針顽冶、讀屏障欺抗、并發(fā)處理、基于Region强重、內(nèi)存壓縮（整理）

ZGC算法

5. JVM調(diào)優(yōu)

5.1 編譯優(yōu)化

5.1.1 方法內(nèi)聯(lián)

調(diào)用方法要經(jīng)歷壓棧和出棧绞呈，這會帶來一定的時(shí)間和空間方面開銷，那么對于那些代碼體量不大间景，又頻繁調(diào)用的方法报强，這個(gè)時(shí)間和空間的消耗會很大；
方法內(nèi)聯(lián)的優(yōu)化就是將那些代碼體量小的方法代碼復(fù)制到發(fā)起調(diào)用的方法之中拱燃，避免真實(shí)調(diào)用秉溉；

• -XX:CompileThreshold：設(shè)置熱點(diǎn)方法閾值，連續(xù)調(diào)用多少才能成為熱點(diǎn)方法碗誉；
• -XX:MaxFreqInlineSize：經(jīng)常執(zhí)行的方法召嘶，內(nèi)聯(lián)優(yōu)化最大方法體，默認(rèn)JVM不會對方法體太大的方法做內(nèi)聯(lián)優(yōu)化哮缺；
• -XX:MaxInlineSize：不經(jīng)常執(zhí)行的方法弄跌，內(nèi)聯(lián)優(yōu)化最大方法體

熱點(diǎn)方法能提高系統(tǒng)性能，提高方法內(nèi)聯(lián)的幾種方式：

• 通過JVM參數(shù)來減少熱點(diǎn)閾值或增加方法體閾值尝苇，使更多的方法進(jìn)行內(nèi)聯(lián)铛只，但這會增加內(nèi)存開銷；
• 編程中避免一個(gè)方法中寫大量代碼糠溜，習(xí)慣使用小方法體淳玩；
• 盡量使用final、private非竿、static關(guān)鍵字修飾方法蜕着，編碼方法因?yàn)槔^承，會需要額外的類型檢查红柱；

5.1.2 逃逸分析

逃逸分析（Escape Analysis）是判斷一個(gè)對象是否被外部方法引用或外部線程訪問的分析技術(shù)承匣，編譯器會根據(jù)逃逸分析的結(jié)果對代碼進(jìn)行優(yōu)化.

棧上分配

java對象默認(rèn)分配在堆上蓖乘，這會帶來垃圾回收的時(shí)間和空間消耗，如果一個(gè)對象只在方法類使用（未發(fā)生逃逸）韧骗，比如方法類的局部變量嘉抒，這個(gè)時(shí)候?qū)ο蠓峙涞骄€程棧上，隨著椗郾空間的回收而回收众眨，帶來性能提升；
開啟方式：-XX:+DoEscapeAnalysis（JVM默認(rèn)是開啟的）
關(guān)閉方式：-XX:-DoEscapeAnalysis

鎖消除

當(dāng)一個(gè)線程安全容器容诬，比如StringBuffer娩梨，在未發(fā)生逃逸時(shí)，JIT編譯（運(yùn)行時(shí)）會自動進(jìn)行Synchronized鎖消除览徒；比如如下代碼狈定，StringBuffer和StringBuilder的性能差別不大

     public static String getString(String s1, String s2) {
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(s1);
        sb.append(s2);
        return sb.toString();
    }

開啟方式：-XX:+EliminateLocks

標(biāo)量替換

5.2 GC調(diào)優(yōu)

5.2.1 降低Minor GC頻率

• 增加新生代大小

5.2.2 降低Full GC頻率

• 減少大對象的創(chuàng)建
• 增加堆內(nèi)存空間

5.2.3 選擇合適的GC回收器

• 如果要求響應(yīng)速度快，選擇CMS和G1
• 如果如果經(jīng)常產(chǎn)生大對象推薦使用G1习蓬，G1有專門存儲巨型對象分區(qū)纽什，并且會優(yōu)先對可回收空間較大的Region進(jìn)行回收（garbage first）；
• 如果物理機(jī)支持大堆內(nèi)存躲叼，可以用ZGC提高效率芦缰；

5.3 內(nèi)存分配及參數(shù)調(diào)優(yōu)

根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置JVM的啟動參數(shù)，常用的JVM優(yōu)化參數(shù)：

todo ...

5.4 常用的JVM分析工具

Linux 命令 - top

查看進(jìn)程的CPU使用率、內(nèi)存使用率誉裆、系統(tǒng)負(fù)載

Linux 命令 - vmstat

jstat 命令

檢測java應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)運(yùn)行情況顿颅，包括堆內(nèi)存信息及垃圾回收信息

jstack 命令

查看線程的堆棧信息

jmap 命令

查看堆內(nèi)存初始化配置及堆內(nèi)存的使用情況，可以把堆內(nèi)存中對象的信息足丢、對象的數(shù)量等dump到文件中粱腻，使用工具進(jìn)行分析；
jmap -dump:format=b.file=/tmp/heap.hprof 28557

jps 命令

JVM Process Status Tool斩跌，顯示當(dāng)前java進(jìn)程情況以及進(jìn)程pid绍些，可以看到啟動了多少java進(jìn)程（每個(gè)java進(jìn)程獨(dú)占一個(gè)jvm實(shí)例），類比linux的ps命令滔驶；

jconsole 命令

阿里出品 - arthas

5.5 OOM的排查

引用1
引用2

出現(xiàn)原因

1. 內(nèi)存中加載的數(shù)據(jù)量過于龐大遇革，如一次性從數(shù)據(jù)庫取出大量數(shù)據(jù)卿闹；
2. 死循環(huán)
3. JVM參數(shù)內(nèi)存配置太小
4. 根本原因：經(jīng)過一次FullGC后老年代中還是滿的

排查方式

1揭糕、通過IDE運(yùn)行跟蹤（很難找到原因）
2萝快、保存問題現(xiàn)場，發(fā)生OOM時(shí)記錄堆信息（導(dǎo)出Dump文件信息）著角，內(nèi)存溢出時(shí)jvm指令執(zhí)行bat發(fā)送郵件

解決方式

1. 增加jvm內(nèi)存大小 -xmx -xms
2. 觀察gc日志揪漩，配置新生代老年代大小比例。如果程序new的比較頻繁吏口，那么新生代設(shè)置大一點(diǎn)
3. 程序優(yōu)化奄容，避免死循環(huán)。

6. 引用參考

• 拉勾課程-jvm
• 掘金-JVM垃圾回收器
• 極客時(shí)間-JVM性能調(diào)優(yōu)