JVM 體系

1. 類的加載機(jī)制
2. JVM 內(nèi)存結(jié)構(gòu)
3. GC算法 垃圾回收
4. GC分析 命令調(diào)優(yōu)

1. 類的加載機(jī)制

主要關(guān)注點(diǎn)：

• 類的加載
• 類的生命周期
• 類加載器
• 雙親委派模型

類的加載

類的加載指的是將類的.class文件中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中拯勉，將其放在運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的方法區(qū)內(nèi)竟趾，然后在堆區(qū)創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class對(duì)象，用來封裝類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)宫峦。類的加載的最終產(chǎn)品是位于堆區(qū)中的java.lang.Class對(duì)象岔帽，Class對(duì)象封裝了類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且向 Java 程序員提供了訪問方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的接口斗遏。

類的生命周期

類的生命周期包括加載山卦、連接、初始化诵次、使用和卸載幾個(gè)部分账蓉，其中前三步是類的加載過程，連接又包括驗(yàn)證逾一、準(zhǔn)備和解析铸本，如下圖：

類的生命周期

• 加載：查找并加載類的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，在 Java 堆中也創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class類的對(duì)象遵堵。
• 連接：連接又包含三塊內(nèi)容：驗(yàn)證箱玷、準(zhǔn)備和解析：
  • 驗(yàn)證：文件格式怨规、元數(shù)據(jù)、字節(jié)碼锡足、符號(hào)引用驗(yàn)證波丰。
  • 準(zhǔn)備：為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存，并將其初始化為默認(rèn)值舶得。
  • 解析：把類中的符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為直接引用掰烟。
• 初始化：為類的靜態(tài)變量賦予正確的初始值。
• 使用：new 出對(duì)象在程序中使用沐批。
• 卸載：執(zhí)行垃圾回收纫骑。

類加載器

類加載器

• 啟動(dòng)類加載器：Bootstrap ClassLoader，負(fù)責(zé)加載存放在JDK\jre\lib(JDK 代表 JDK 的安裝目錄九孩，下同)下先馆，或被-Xbootclasspath參數(shù)指定的路徑中的，并且能被虛擬機(jī)識(shí)別的類庫躺彬。
• 擴(kuò)展類加載器：Extension ClassLoader煤墙，該加載器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實(shí)現(xiàn)，它負(fù)責(zé)加載JDK\jre\lib\ext目錄中顾患，或者由java.ext.dirs系統(tǒng)變量指定的路徑中的所有類庫（如javax.*開頭的類）番捂，開發(fā)者可以直接使用擴(kuò)展類加載器。
• 應(yīng)用程序類加載器：Application ClassLoader江解，該類加載器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader來實(shí)現(xiàn)设预，它負(fù)責(zé)加載用戶類路徑（ClassPath）所指定的類，開發(fā)者可以直接使用該類加載器犁河。

類加載機(jī)制

• 全盤負(fù)責(zé)：當(dāng)一個(gè)類加載器負(fù)責(zé)加載某個(gè)Class時(shí)鳖枕，該Class所依賴的和引用的其他Class也將由該類加載器負(fù)責(zé)載入，除非顯示使用另外一個(gè)類加載器來加載桨螺。
• 父類委托：先讓父類加載器試圖加載該類宾符，只有在父類加載器無法加載該類時(shí)才嘗試從自己的類路徑中加載該類。
• 緩存機(jī)制：緩存機(jī)制將會(huì)保證所有加載過的Class都會(huì)被緩存灭翔，當(dāng)程序中需要使用某個(gè)Class時(shí)魏烫，類加載器先從緩存區(qū)尋找該Class，只有緩存區(qū)不存在肝箱，系統(tǒng)才會(huì)讀取該類對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)哄褒，并將其轉(zhuǎn)換成Class對(duì)象，存入緩存區(qū)煌张。這就是為什么修改了Class后呐赡，必須重啟 JVM，程序的修改才會(huì)生效骏融。

2. JVM 內(nèi)存結(jié)構(gòu)

主要關(guān)注點(diǎn)：

• JVM 內(nèi)存結(jié)構(gòu)
• 對(duì)象分配規(guī)則

JVM 內(nèi)存結(jié)構(gòu)

JVM 內(nèi)存結(jié)構(gòu)

方法區(qū)（Method Area）和堆（Heap）是所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域链嘀；而java棧（JVM Stacks）萌狂、本地方法棧（Native Method Stacks）和程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）是線程私有的內(nèi)存區(qū)域。

• Java堆：Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊怀泊。Java堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域茫藏，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對(duì)象實(shí)例包个，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存刷允。堆大小由-Xmx和-Xms來調(diào)節(jié)。
• 方法區(qū)：所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域碧囊，它用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量纤怒、靜態(tài)變量糯而、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)參數(shù)：-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize泊窘。
• 程序計(jì)數(shù)器：是一塊較小的內(nèi)存空間熄驼，它的作用可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。
• Java 虛擬機(jī)棧：線程私有的區(qū)域烘豹，它的生命周期與線程相同。虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法被執(zhí)行的時(shí)候都會(huì)同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)棧幀（Stack Frame）用于存儲(chǔ)局部變量表、操作棧揣钦、動(dòng)態(tài)鏈接移层、方法出口等信息。每一個(gè)方法被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程憔鬼，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中從入棧到出棧的過程龟劲。調(diào)節(jié)參數(shù)：-Xss128k。
• 本地方法棧：與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的轴或，其區(qū)別不過是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)昌跌，而本地方法棧則是為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)。調(diào)節(jié)參數(shù)：-Xss128k照雁。

對(duì)象分配規(guī)則

• 對(duì)象優(yōu)先分配在Eden區(qū)蚕愤。如果Eden區(qū)沒有足夠的空間時(shí)，虛擬機(jī)執(zhí)行一次Minor GC饺蚊。
• 大對(duì)象直接進(jìn)入老年代萍诱，大對(duì)象指的是需要大量連續(xù)內(nèi)存空間的對(duì)象。這樣做的目的是避免在Eden區(qū)和兩個(gè)Survivor區(qū)之間發(fā)生大量的內(nèi)存拷貝（新生代采用復(fù)制算法收集內(nèi)存）卸勺。
• 長(zhǎng)期存活的對(duì)象進(jìn)入老年代砂沛。虛擬機(jī)為每個(gè)對(duì)象定義了一個(gè)年齡計(jì)數(shù)器，如果對(duì)象經(jīng)過了1次Minor GC曙求，那么對(duì)象會(huì)進(jìn)入Survivor區(qū)碍庵，之后每經(jīng)過一次Minor GC那么對(duì)象的年齡加1映企，直到達(dá)到閥值對(duì)象進(jìn)入老年區(qū)。
• 動(dòng)態(tài)判斷對(duì)象的年齡静浴。如果Survivor區(qū)中相同年齡的所有對(duì)象大小的總和大于Survivor區(qū)空間的一半堰氓，年齡大于或等于該年齡的對(duì)象可以直接進(jìn)入老年代。
• 空間分配擔(dān)保苹享。每次進(jìn)行Minor GC時(shí)双絮，JVM會(huì)計(jì)算Survivor區(qū)移至老年區(qū)的對(duì)象的平均大小，如果這個(gè)值大于老年區(qū)的剩余值大小則進(jìn)行一次Full GC得问，如果小于檢查HandlePromotionFailure設(shè)置囤攀，如果為true則只進(jìn)行Monitor GC,如果為false則進(jìn)行Full GC。

關(guān)于如何通過參數(shù)來控制個(gè)各個(gè)內(nèi)存區(qū)域請(qǐng)參考 JVM系列(二)：JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)

3. GC算法 垃圾回收

主要關(guān)注點(diǎn)：

• 對(duì)象存活判斷
• GC算法
• 垃圾回收器

對(duì)象存活判斷

判斷對(duì)象是否存活一般有兩種方式：

• 引用計(jì)數(shù)：每個(gè)對(duì)象有一個(gè)引用計(jì)數(shù)屬性宫纬，新增一個(gè)引用時(shí)計(jì)數(shù)加1焚挠，引用釋放時(shí)計(jì)數(shù)減1，計(jì)數(shù)為0時(shí)可以回收漓骚。此方法簡(jiǎn)單蝌衔，無法解決對(duì)象相互循環(huán)引用的問題。
• 可達(dá)性分析（Reachability Analysis）：從GC Roots開始向下搜索蝌蹂，搜索所走過的路徑稱為引用鏈噩斟。當(dāng)一個(gè)對(duì)象到GC Roots沒有任何引用鏈相連時(shí)，則證明此對(duì)象是不可用的孤个，不可達(dá)對(duì)象剃允。

GC算法

GC最基礎(chǔ)的算法有三種：標(biāo)記 -清除算法、復(fù)制算法硼身、標(biāo)記-壓縮算法硅急，我們常用的垃圾回收器一般都采用分代收集（Generational Collection）算法。

• 標(biāo)記 -清除算法：標(biāo)記-清除（Mark-Sweep）算法佳遂，如它的名字一樣营袜，算法分為“標(biāo)記”和“清除”兩個(gè)階段：首先標(biāo)記出所有需要回收的對(duì)象，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收掉所有被標(biāo)記的對(duì)象丑罪。
• 復(fù)制算法：復(fù)制（Copying）的收集算法荚板，它將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊吩屹。當(dāng)這一塊的內(nèi)存用完了跪另，就將還存活著的對(duì)象復(fù)制到另外一塊上面，然后再把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉煤搜。
• 標(biāo)記-壓縮算法：標(biāo)記過程仍然與標(biāo)記-清除算法一樣免绿，但后續(xù)步驟不是直接對(duì)可回收對(duì)象進(jìn)行清理，而是讓所有存活的對(duì)象都向一端移動(dòng)擦盾，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存嘲驾。
• 分代收集算法：分代收集算法淌哟，把Java堆分為新生代和老年代，這樣就可以根據(jù)各個(gè)年代的特點(diǎn)采用最適當(dāng)?shù)氖占惴ā?/li>

垃圾回收器

• Serial收集器辽故，串行收集器是最古老徒仓，最穩(wěn)定以及效率高的收集器，可能會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的停頓誊垢，只使用一個(gè)線程去回收掉弛。
• ParNew收集器，ParNew收集器其實(shí)就是Serial收集器的多線程版本喂走。
• Parallel收集器殃饿，Parallel Scavenge收集器類似ParNew收集器，Parallel收集器更關(guān)注系統(tǒng)的吞吐量芋肠。
• Parallel Old 收集器壁晒，Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多線程和“標(biāo)記－整理”算法业栅。
• CMS收集器，CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短回收停頓時(shí)間為目標(biāo)的收集器谬晕。
• G1收集器碘裕，G1 (Garbage-First)是一款面向服務(wù)器的垃圾收集器,主要針對(duì)配備多顆處理器及大容量?jī)?nèi)存的機(jī)器. 以極高概率滿足GC停頓時(shí)間要求的同時(shí),還具備高吞吐量性能特征。

GC算法和垃圾回收器算法圖解以及更詳細(xì)內(nèi)容參考： jvm系列(三):GC算法 垃圾收集器

4. GC分析 命令調(diào)優(yōu)

主要關(guān)注點(diǎn)：

• GC日志分析
• 調(diào)優(yōu)命令
• 調(diào)優(yōu)工具

GC日志分析

摘錄GC日志一部分

Young GC回收日志:

  1. 2016-07-05T10:43:18.093+0800: 25.395: [GC [PSYoungGen: 274931K->10738K(274944K)] 371093K->147186K(450048K), 0.0668480 secs] [Times: user=0.17 sys=0.08, real=0.07 secs]

Full GC回收日志:

  1. 2016-07-05T10:43:18.160+0800: 25.462: [Full GC [PSYoungGen: 10738K->0K(274944K)] [ParOldGen: 136447K->140379K(302592K)] 147186K->140379K(577536K) [PSPermGen: 85411K->85376K(171008K)], 0.6763541 secs] [Times: user=1.75 sys=0.02, real=0.68 secs]

通過上面日志分析得出攒钳，PSYoungGen帮孔、ParOldGen、PSPermGen屬于Parallel收集器不撑。其中PSYoungGen表示 GC 回收前后年輕代的內(nèi)存變化文兢；ParOldGen表示 GC 回收前后老年代的內(nèi)存變化；PSPermGen表示 GC 回收前后永久區(qū)的內(nèi)存變化焕檬。Young GC 主要是針對(duì)年輕代進(jìn)行內(nèi)存回收比較頻繁姆坚，耗時(shí)短；Full GC 會(huì)對(duì)整個(gè)堆內(nèi)存進(jìn)行回城实愚，耗時(shí)長(zhǎng)兼呵，因此一般盡量減少 Full GC 的次數(shù)。

Young GC日志:

Young GC日志

Full GC日志:

Full GC日志

調(diào)優(yōu)命令

Sun JDK監(jiān)控和故障處理命令有jps（JVM Process Status Tool）腊敲、jstat（JVM statistics Monitoring）击喂、jmap、jhat（JVM Heap Analysis Tool）碰辅、jstack和jinfo（JVM Configuration info）

• jps：顯示指定系統(tǒng)內(nèi)所有的HotSpot虛擬機(jī)進(jìn)程懂昂。
• jstat：是用于監(jiān)視虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)狀態(tài)信息的命令，它可以顯示出虛擬機(jī)進(jìn)程中的類裝載没宾、內(nèi)存凌彬、垃圾收集沸柔、JIT編譯等運(yùn)行數(shù)據(jù)。
• jmap饿序，JVM Memory Map命令用于生成heap dump文件勉失。
• jhat：命令是與jmap搭配使用，用來分析jmap生成的dump原探，jhat內(nèi)置了一個(gè)微型的HTTP/HTML服務(wù)器乱凿，生成dump的分析結(jié)果后，可以在瀏覽器中查看咽弦。
• jstack：用于生成java虛擬機(jī)當(dāng)前時(shí)刻的線程快照徒蟆。
• jinfo：這個(gè)命令作用是實(shí)時(shí)查看和調(diào)整虛擬機(jī)運(yùn)行參數(shù)。

詳細(xì)的命令使用參考這里：jvm系列(四):jvm調(diào)優(yōu)-命令篇

調(diào)優(yōu)工具

常用調(diào)優(yōu)工具分為兩類型型，JDK自帶監(jiān)控工具：jconsole和jvisualvm段审，第三方有：MAT(Memory Analyzer Tool)、GChisto闹蒜。

• jconsole：Java Monitoring and Management Console是從 Java 5 開始寺枉，在 JDK 中自帶的 Java 監(jiān)控和管理控制臺(tái)，用于對(duì) JVM 中內(nèi)存绷落，線程和類等的監(jiān)控姥闪。
• jvisualvm：jdk自帶全能工具，可以分析內(nèi)存快照砌烁、線程快照筐喳；監(jiān)控內(nèi)存變化、GC變化等函喉。
• MAT：一個(gè)基于Eclipse的內(nèi)存分析工具避归，是一個(gè)快速、功能豐富的Java heap分析工具管呵，它可以幫助我們查找內(nèi)存泄漏和減少內(nèi)存消耗梳毙。
• GChisto：一款專業(yè)分析gc日志的工具。

參考 純潔的微笑 JVM系列

JVM 參數(shù)

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
//當(dāng)JVM發(fā)生OOM時(shí)撇寞，自動(dòng)生成DUMP文件
-XX:HeapDumpPath=./heapdump.hprof
生成DUMP文件的路徑顿天，也可以指定文件名稱，如果不指定文件名蔑担，默認(rèn)為：java_<pid>_<date>_<time>_heapDump.hprof