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一、什么是JVM

JVM是Java Virtual Machine(Java 虛擬機(jī))的縮寫，JVM是一種用于計算設(shè)備的規(guī)范，它是一個虛構(gòu)出來的計算機(jī)，是通過在實際的計算機(jī)上仿真模擬各種計算機(jī)功能來實現(xiàn)的。

Java語言的一個非常重要的特點就是平臺無關(guān)性。而使用Java虛擬機(jī)是實現(xiàn)這一特點的關(guān)鍵。一般的高級語言如果要在不同的平臺上運(yùn)行，至少需要編譯成不同的目標(biāo)代碼。而引入Java語言虛擬機(jī)后，Java語言在不同平臺上運(yùn)行時不需要重新編譯。Java語言使用Java虛擬機(jī)屏蔽了與具體平臺相關(guān)的信息，使得Java語言編譯程序只需生成在Java虛擬機(jī)上運(yùn)行的目標(biāo)代碼(字節(jié)碼)，就可以在多種平臺上不加修改地運(yùn)行。Java虛擬機(jī)在執(zhí)行字節(jié)碼時，把字節(jié)碼解釋成具體平臺上的機(jī)器指令執(zhí)行。這就是Java的能夠“一次編譯，到處運(yùn)行”的原因。

二、JVM總體概述

JVM總體上是由類裝載子系統(tǒng)(ClassLoader)、運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)、執(zhí)行引擎、垃圾收集這四個部分組成。其中我們最為關(guān)注的運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)，也就是JVM的內(nèi)存部分則是由方法區(qū)(Method Area)、JAVA堆(Java Heap)、虛擬機(jī)棧(JVM Stack)、程序計數(shù)器、本地方法棧(Native Method Stack)這幾部分組成。

三、JVM體系結(jié)構(gòu)

3.1 類裝載子系統(tǒng)

Class Loader類加載器負(fù)責(zé)加載.class文件，class文件在文件開頭有特定的文件標(biāo)示，并且ClassLoader負(fù)責(zé)class文件的加載等，至于它是否可以運(yùn)行，則由Execution Engine決定。

3.2 運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)

棧管運(yùn)行，堆管存儲。JVM調(diào)優(yōu)主要是優(yōu)化Java堆和方法區(qū)。

3.2.1 方法區(qū)(Method Area)

方法區(qū)是各線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲已被JVM加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、運(yùn)行時常量池等數(shù)據(jù)。

3.2.2 Java堆(Java Heap)

Java堆是各線程共享的內(nèi)存區(qū)域，在JVM啟動時創(chuàng)建，這塊區(qū)域是JVM中最大的， 用于存儲應(yīng)用的對象和數(shù)組，也是GC主要的回收區(qū)，一個 JVM 實例只存在一個堆內(nèi)存，堆內(nèi)存的大小是可以調(diào)節(jié)的。類加載器讀取了類文件后，需要把類、方法、常變量放到堆內(nèi)存中，以方便執(zhí)行器執(zhí)行，堆內(nèi)存分為三部分：新生代、老年代、永久代。

說明：

• Jdk1.6及之前：常量池分配在永久代 。
• Jdk1.7：有，但已經(jīng)逐步“去永久代” 。
• Jdk1.8及之后：無永久代，改用元空間代替(java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,這種錯誤將不會出現(xiàn)在JDK1.8中)。

3.2.3 Java棧(JVM Stack)

1) 棧是什么

Java棧是線程私有的，是在線程創(chuàng)建時創(chuàng)建，它的生命期是跟隨線程的生命期，線程結(jié)束棧內(nèi)存也就釋放，對于棧來說不存在垃圾回收問題，只要線程一結(jié)束該棧就Over，生命周期和線程一致?；绢愋偷淖兞亢蛯ο蟮囊米兞慷际窃诤瘮?shù)的棧內(nèi)存中分配。

2) 棧存儲什么

每個方法執(zhí)行的時候都會創(chuàng)建一個棧幀，棧幀中主要存儲3類數(shù)據(jù)：

局部變量表：輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)以及方法內(nèi)的變量;

棧操作：記錄出棧和入棧的操作;

棧幀數(shù)據(jù)：包括類文件、方法等等。

3) 棧運(yùn)行原理

棧中的數(shù)據(jù)都是以棧幀的格式存在，棧幀是一個內(nèi)存區(qū)塊，是一個數(shù)據(jù)集，是一個有關(guān)方法和運(yùn)行期數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集。每一個方法被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對應(yīng)著一個棧幀在棧中從入棧到出棧的過程。

4) 本地方法棧(Native Method Stack)

本地方法棧和JVM棧發(fā)揮的作用非常相似，也是線程私有的，區(qū)別是JVM棧為JVM執(zhí)行Java方法(也就是字節(jié)碼)服務(wù)，而本地方法棧為JVM使用到的Native方法服務(wù)。它的具體做法是在本地方法棧中登記native方法，在執(zhí)行引擎執(zhí)行時加載Native Liberies.有的虛擬機(jī)(比如Sun Hotpot)直接把兩者合二為一。

5) 程序計數(shù)器(Program Counter Register)

程序計數(shù)器是一塊非常小的內(nèi)存空間，幾乎可以忽略不計，每個線程都有一個程序計算器，是線程私有的，可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器，指向方法區(qū)中的方法字節(jié)碼(下一個將要執(zhí)行的指令代碼)，由執(zhí)行引擎讀取下一條指令。

6) 運(yùn)行時常量池

運(yùn)行時常量池是方法區(qū)的一部分，用于存放編譯器生成的各種字面量和符號引用，這部分內(nèi)容將在類加載后存放到方法區(qū)的運(yùn)行時常量池中。相較于Class文件常量池，運(yùn)行時常量池更具動態(tài)性，在運(yùn)行期間也可以將新的變量放入常量池中，而不是一定要在編譯時確定的常量才能放入。最主要的運(yùn)用便是String類的intern()方法。

3.3 執(zhí)行引擎(Execution Engine)

執(zhí)行引擎執(zhí)行包在裝載類的方法中的指令，也就是方法。執(zhí)行引擎以指令為單位讀取Java字節(jié)碼。它就像一個CPU一樣，一條一條地執(zhí)行機(jī)器指令。每個字節(jié)碼指令都由一個1字節(jié)的操作碼和附加的操作數(shù)組成。執(zhí)行引擎取得一個操作碼，然后根據(jù)操作數(shù)來執(zhí)行任務(wù)，完成后就繼續(xù)執(zhí)行下一條操作碼。

不過Java字節(jié)碼是用一種人類可以讀懂的語言編寫的，而不是用機(jī)器可以直接執(zhí)行的語言。因此，執(zhí)行引擎必須把字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成可以直接被JVM執(zhí)行的語言。字節(jié)碼可以通過以下兩種方式轉(zhuǎn)換成合適的語言：

• 解釋器： 一條一條地讀取，解釋并執(zhí)行字節(jié)碼執(zhí)行，所以它可以很快地解釋字節(jié)碼，但是執(zhí)行起來會比較慢。這是解釋執(zhí)行語言的一個缺點。
• 即時編譯器：用來彌補(bǔ)解釋器的缺點，執(zhí)行引擎首先按照解釋執(zhí)行的方式來執(zhí)行，然后在合適的時候，即時編譯器把整段字節(jié)碼編譯成本地代碼。然后，執(zhí)行引擎就沒有必要再去解釋執(zhí)行方法了，它可以直接通過本地代碼去執(zhí)行。執(zhí)行本地代碼比一條一條進(jìn)行解釋執(zhí)行的速度快很多，編譯后的代碼可以執(zhí)行的很快，因為本地代碼是保存在緩存里的。

3.4 垃圾收集(Garbage Collection, GC)

3.4.1 什么是垃圾收集

垃圾收集即垃圾回收，簡單的說垃圾回收就是回收內(nèi)存中不再使用的對象。所謂使用中的對象(已引用對象)，指的是程序中有指針指向的對象;而未使用中的對象(未引用對象)，則沒有被任何指針給指向，因此占用的內(nèi)存也可以被回收掉。

垃圾回收的基本步驟分兩步：

• 查找內(nèi)存中不再使用的對象(GC判斷策略)
• 釋放這些對象占用的內(nèi)存(GC收集算法)

3.4.2 GC判斷策略

1) 引用計數(shù)算法

引用計數(shù)算法是給對象添加一個引用計數(shù)器，每當(dāng)有一個引用它時，計數(shù)器值就加1;當(dāng)引用失效時，計數(shù)器值就減1;任何時刻計數(shù)器都為0的對象就是不可能再被使用的對象。缺點：很難解決對象之間相互循環(huán)引用的問題。

2) 根搜索算法

根搜索算法的基本思路就是通過一系列名為“GC Roots”的對象作為起始點，從這些節(jié)點開始向下搜索，搜索所走過的路徑稱為引用鏈(Reference Chain)，當(dāng)一個對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連(也就是說從GC Roots到這個對象不可達(dá))時，則證明此對象是不可用的。

在Java語言里，可作為GC Roots的對象包括以下幾種：

• 虛擬機(jī)棧(棧幀中的本地變量表)中引用的對象;
• 方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對象;
• 方法區(qū)中常量應(yīng)用的對象;
• 本地方法棧中JNI(Native方法)引用的對象。

注：在根搜索算法中不可達(dá)的對象，也并非是“非死不可”的，因為要真正宣告一個對象死亡，至少要經(jīng)歷兩次標(biāo)記過程：第一次是標(biāo)記沒有與GC Roots相連接的引用鏈;第二次是GC對在F-Queue執(zhí)行隊列中的對象進(jìn)行的小規(guī)模標(biāo)記(對象需要覆蓋finalize()方法且沒被調(diào)用過)。

3.4.3 GC收集算法

1) 標(biāo)記-清除算法(Mark-Sweep)

標(biāo)記-清楚算法采用從根集合(GC Roots)進(jìn)行掃描，首先標(biāo)記出所有需要回收的對象(根搜索算法)，標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收掉所有被標(biāo)記的對象。

該算法有兩個問題：

• 效率問題：標(biāo)記和清除過程的效率都不高;
• 空間問題：標(biāo)記清除后會產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片, 空間碎片太多可能會導(dǎo)致在運(yùn)行過程中需要分配較大對象時無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾收集。

2) 復(fù)制算法(Copying)

復(fù)制算法是將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊, 每次只用其中一塊, 當(dāng)這一塊的內(nèi)存用完, 就將還存活的對象復(fù)制到另外一塊上面, 然后把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉。

3) 標(biāo)記-整理算法(Mark-Compact)

標(biāo)記整理算法的標(biāo)記過程與標(biāo)記清除算法相同, 但后續(xù)步驟不再對可回收對象直接清理, 而是讓所有存活的對象都向一端移動,然后清理掉端邊界以外的內(nèi)存。

4) 分代收集算法(Generational Collection)

分代收集算法是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法。它的核心思想是根據(jù)對象存活的生命周期將內(nèi)存劃分為若干個不同的區(qū)域。一般情況下將堆區(qū)劃分為老年代(Tenured Generation)和新生代(Young Generation)，在堆區(qū)之外還有一個代就是永久代(Permanet Generation)。老年代的特點是每次垃圾收集時只有少量對象需要被回收，而新生代的特點是每次垃圾回收時都有大量的對象需要被回收，那么就可以根據(jù)不同代的特點采取最適合的收集算法。

新生代(Young Generation)的回收算法(以復(fù)制算法為主)

• 所有新生成的對象首先都是放在年輕代的。年輕代的目標(biāo)就是盡可能快速的收集掉那些生命周期短的對象。
• 新生代內(nèi)存按照8:1:1的比例分為一個eden區(qū)和兩個survivor(survivor0,survivor1)區(qū)。一個Eden區(qū)，兩個 Survivor區(qū)(一般而言)。大部分對象在Eden區(qū)中生成?；厥諘r先將eden區(qū)存活對象復(fù)制到一個survivor0區(qū)，然后清空eden區(qū)，當(dāng)這個survivor0區(qū)也存放滿了時，則將eden區(qū)和survivor0區(qū)存活對象復(fù)制到另一個survivor1區(qū)，然后清空eden和這個survivor0區(qū)，此時survivor0區(qū)是空的，然后將survivor0區(qū)和survivor1區(qū)交換，即保持survivor1區(qū)為空， 如此往復(fù)。
• 當(dāng)survivor1區(qū)不足以存放 eden和survivor0的存活對象時，就將存活對象直接存放到老年代。若是老年代也滿了就會觸發(fā)一次Full GC(Major GC)，也就是新生代、老年代都進(jìn)行回收。
• 新生代發(fā)生的GC也叫做Minor GC，MinorGC發(fā)生頻率比較高(不一定等Eden區(qū)滿了才觸發(fā))。

老年代(Tenured Generation)的回收算法(以標(biāo)記-清除、標(biāo)記-整理為主)

• 在年輕代中經(jīng)歷了N次垃圾回收后仍然存活的對象，就會被放到老年代中。因此，可以認(rèn)為老年代中存放的都是一些生命周期較長的對象。
• 內(nèi)存比新生代也大很多(大概比例是1:2)，當(dāng)老年代內(nèi)存滿時觸發(fā)Major GC即Full GC，F(xiàn)ull GC發(fā)生頻率比較低，老年代對象存活時間比較長，存活率標(biāo)記高。

永久代(Permanet Generation)的回收算法

用于存放靜態(tài)文件，如Java類、方法等。永久代對垃圾回收沒有顯著影響，但是有些應(yīng)用可能動態(tài)生成或者調(diào)用一些class，例如Hibernate 等，在這種時候需要設(shè)置一個比較大的永久代空間來存放這些運(yùn)行過程中新增的類。永久代也稱方法區(qū)。方法區(qū)主要回收的內(nèi)容有：廢棄常量和無用的類。對于廢棄常量也可通過根搜索算法來判斷，但是對于無用的類則需要同時滿足下面3個條件：

• 該類所有的實例都已經(jīng)被回收，也就是Java堆中不存在該類的任何實例;
• 加載該類的ClassLoader已經(jīng)被回收;
• 該類對應(yīng)的java.lang.Class對象沒有在任何地方被引用，無法在任何地方通過反射訪問該類的方法。

3.4.4 垃圾收集器

1) Serial收集器(復(fù)制算法)

新生代單線程收集器，標(biāo)記和清理都是單線程，優(yōu)點是簡單高效。是client級別默認(rèn)的GC方式，可以通過-XX:+UseSerialGC來強(qiáng)制指定。

2) Serial Old收集器(標(biāo)記-整理算法)

老年代單線程收集器，Serial收集器的老年代版本。

3) ParNew收集器(停止-復(fù)制算法)

新生代多線程收集器，其實就是Serial收集器的多線程版本,在多核CPU環(huán)境下有著比Serial更好的表現(xiàn)。

4) Parallel Scavenge收集器(停止-復(fù)制算法)

新生代并行的多線程收集器，追求高吞吐量，高效利用CPU。吞吐量一般為99%， 吞吐量= 用戶線程時間/(用戶線程時間+GC線程時間)。適合后臺應(yīng)用等對交互相應(yīng)要求不高的場景。是server級別默認(rèn)采用的GC方式，可用-XX:+UseParallelGC來強(qiáng)制指定，用-XX:ParallelGCThreads=4來指定線程數(shù)。

5) Parallel Old收集器(停止-復(fù)制算法)

老年代并行的多線程收集器，Parallel Scavenge收集器的老年代版本，并行收集器，吞吐量優(yōu)先。

6) CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器(標(biāo)記-清除算法)

CMS收集器是一種以獲取最短回收停頓時間為目標(biāo)的收集器，CMS收集器是基于“標(biāo)記--清除”(Mark-Sweep)算法實現(xiàn)的，整個過程分為四個步驟：

• 初始標(biāo)記： 標(biāo)記GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對象，速度很快;
• 并發(fā)標(biāo)記： 進(jìn)行GC Roots Tracing的過程;
• 重新標(biāo)記： 修正并發(fā)標(biāo)記期間因用戶程序繼續(xù)運(yùn)作而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動的那一部分對象的標(biāo)記記錄，這個階段的停頓時間一般會比初始標(biāo)記階段稍長一些，但比并發(fā)標(biāo)記時間短;
• 并發(fā)清除： 整個過程中耗時最長的并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)清除過程收集器線程都可以與用戶線程一起工作，所以，從總體上來說，CMS收集器的內(nèi)存回收過程是與用戶線程一起并發(fā)執(zhí)行的。
• 優(yōu)點：并發(fā)收集、低停頓
• 缺點：對CPU資源非常敏感、無法處理浮動垃圾、產(chǎn)生大量空間碎片。

7) G1(Garbage First)收集器(標(biāo)記-整理算法)

G1是一款面向服務(wù)端應(yīng)用的垃圾收集器，是基于“標(biāo)記-整理”算法實現(xiàn)的，與其他GC收集器相比，G1具備如下特點：

• 并行與并發(fā)
• 分代收集
• 空間整合
• 可預(yù)測性的停頓

G1運(yùn)作步驟：

• 初始標(biāo)記(stop the world事件，CPU停頓只處理垃圾)
• 并發(fā)標(biāo)記(與用戶線程并發(fā)執(zhí)行)
• 最終標(biāo)記(stop the world事件，CPU停頓處理垃圾)
• 篩選回收(stop the world事件，根據(jù)用戶期望的GC停頓時間回收)

3.4.5 垃圾收集結(jié)構(gòu)圖