從今天開始，我們正式開始《架構(gòu)師進(jìn)階系列》技術(shù)文的更新，在《架構(gòu)師進(jìn)階系列》中，我們首先一起來探討有關(guān)JVM的知識。

很多小伙伴都認(rèn)為JVM的知識很難，很枯燥，不知道該如何學(xué)習(xí)，買了很多關(guān)于JVM的書籍，看了沒幾頁就看不下去了，隨后書籍被放到書架里，很長一段時間內(nèi)成為了“吃灰”的擺件。

其實(shí)，在互聯(lián)網(wǎng)這個行業(yè)中，誰掌握了底層的核心知識，誰就能在激烈的競爭環(huán)境中脫穎而出。JVM看起來很難，只要你掌握了學(xué)習(xí)JVM的規(guī)律和方法，吃透它，其實(shí)很簡單的。

PS：后續(xù)星球帶著大家一起從零開始設(shè)計并手寫JVM源碼。

文章總體結(jié)構(gòu)

本文中，我們將按照如下結(jié)構(gòu)介紹JVM的整體架構(gòu)和調(diào)優(yōu)參數(shù)。

JVM的分類

這里，我們先來說說什么是VM吧，VM的中文含義為：虛擬機(jī)，指的是使用軟件的方式模擬具有完整硬件系統(tǒng)功能、運(yùn)行在一個完全隔離環(huán)境中的完整計算機(jī)系統(tǒng)，是物理機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)。

常用的虛擬機(jī)有：VMWare、Virtual Box，Java Virtual Machine（JVM，Java虛擬機(jī)）。

這里，我們重點(diǎn)聊的就是JVM，Java虛擬機(jī)?？聪聢D。

這張圖看起來還是比較簡單的，JVM運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上，操作系統(tǒng)是運(yùn)行在計算機(jī)硬件上的。

關(guān)于JVM，其實(shí)有很多大廠開發(fā)了不同版本的JVM，比較知名的有：Sun HotSpot VM、BEA JRockit VM、IBM J9 VM、 Azul VM、 Apache Harmony、 Google Dalvik VM、 Microsoft JVM等等。

現(xiàn)在使用的比較多的JDK8版本就是Sun HotSpot VM與BEA JRockit VM合并之后開發(fā)出的JDK版本。

JVM的構(gòu)成

JVM主要由三個子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為：類加載器子系統(tǒng)、運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)（內(nèi)存結(jié)構(gòu)）和字節(jié)碼執(zhí)行引擎。

為了更好的理解JVM，我們來看一下JVM的全貌圖。

當(dāng)我們開發(fā)Java程序時，首先會編寫.java文件，之后，會將.java文件編譯成.class文件。

JVM中，會通過類裝載子系統(tǒng)將.class文件的內(nèi)容裝載到JVM的運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)，而JVM的運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)又會分為：方法區(qū)、堆、棧、本地方法棧和程序計數(shù)器 幾個部分。

在裝載class文件的內(nèi)容時，會將class文件的內(nèi)容拆分為幾個部分，分別裝載到JVM運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)的幾個部分。其中，值得注意的是：程序計數(shù)器的作用是：記錄程序執(zhí)行的下一條指令的地址。

方法區(qū)也叫作元空間，主要包含了：運(yùn)行時常量池、類型信息、字段信息、方法信息、類加載器的引用、對應(yīng)的Class實(shí)例的引用等信息。

在JVM中，程序的執(zhí)行是通過執(zhí)行引擎進(jìn)行的，執(zhí)行引擎會調(diào)用本地方法的接口來執(zhí)行本地方法庫，進(jìn)而完成整個程序邏輯的執(zhí)行。

我們常說的垃圾收集器是包含在執(zhí)行引擎中的，在程序的運(yùn)行過程中，執(zhí)行引擎會開啟垃圾收集器，并在后臺運(yùn)行，垃圾收集器會不斷監(jiān)控程序運(yùn)行過程中產(chǎn)生的內(nèi)存垃圾信息，并根據(jù)相應(yīng)的策略對垃圾信息進(jìn)行清理。

這里，大家需要注意的是：棧、本地方法棧和程序計數(shù)器是每個線程運(yùn)行時獨(dú)占的，而方法區(qū)和堆是所有線程共享的。所以，棧、本地方法棧和程序計數(shù)器不會涉及線程安全問題，而方法區(qū)和堆會涉及線程安全問題。

方法區(qū)（元空間）

很多小伙伴一看到方法區(qū)三個字，腦海中的第一印象可能是存儲方法的地方吧。

實(shí)則不然，方法區(qū)的另一個名字叫作元空間，相信不少小伙伴或多或少的聽說過元空間。這個區(qū)域是JDK1.8中劃分出來的。主要包含：運(yùn)行時常量池、類型信息、字段信息、方法信息、類加載器的引用、對應(yīng)的Class實(shí)例的引用等信息。方法區(qū)中的信息能夠被多個線程共享。

例如，在程序中聲明的常量、靜態(tài)變量和有關(guān)于類的信息等的引用，都會存放在方法區(qū)，而這些引用所指向的具體對象 一般都會在堆中開辟單獨(dú)的空間進(jìn)行存儲，也可能會在直接內(nèi)存中進(jìn)行存儲。

堆

堆中主要存儲的是實(shí)際創(chuàng)建的對象，也就是會存儲通過new關(guān)鍵字創(chuàng)建的對象，堆中的對象能夠被多個線程共享。堆中的數(shù)據(jù)不需要事先明確生存期，可以動態(tài)的分配內(nèi)存，不再使用的數(shù)據(jù)和對象由JVM中的GC機(jī)制自動回收。對JVM的性能調(diào)優(yōu)一般就是對堆內(nèi)存的調(diào)優(yōu)。

Java中基本類型的包裝類：Byte、Short、Integer、Long、Float、Double、Boolean、Character類型的數(shù)據(jù)是存儲在堆中的。

堆一般會被分成年輕代和老年代。而年輕代又會被進(jìn)一步分為1個Eden區(qū)和2個Survivor區(qū)。在內(nèi)存分配上，如果保持默認(rèn)配置的話，年輕代和老年代的內(nèi)存大小比例為1 : 2，年輕代中的1個Eden區(qū)和2個Survivor區(qū)的內(nèi)存大小比例為：8 : 1 : 1。

棧

棧一般又叫作線程?；蛱摂M機(jī)棧，一般存儲的是局部變量。在Java中，每個線程都會有一個單獨(dú)的棧區(qū)，每個棧中的元素都是私有的，不會被其他的棧所訪問。棧中的數(shù)據(jù)大小和生存期都是確定的，存取速度比較快。

在Java中，所有的基本數(shù)據(jù)類型（byte、short、int、long、float、double、boolean、char）和引用變量（對象引用）都是在棧中的。一般情況下，線程退出或者方法退出時，棧中的數(shù)據(jù)會被自動清除。

程序在執(zhí)行過程中，會在棧中為不同的方法創(chuàng)建不同的棧幀，在棧幀中又包含了：局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接和方法出口。

關(guān)于局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接和方法出口的具體作用，會在《架構(gòu)師進(jìn)階系列》中的后續(xù)文章中詳細(xì)闡述。

棧中一般會存儲對象的引用，這些引用所指向的具體對象一般都會在堆中開辟單獨(dú)的地址空間進(jìn)行存儲，也有可能存儲在直接內(nèi)存中。

注意：這里說的是這些引用所指向的具體對象一般都會在堆中開辟單獨(dú)的地址空間進(jìn)行存儲，也有可能存儲在直接內(nèi)存中。

因為在JVM中，如果開啟了逃逸分析和標(biāo)量替換，則可能不會再在堆上創(chuàng)建對象，可能會將對象直接分配到棧上，也可能不再創(chuàng)建對象，而是進(jìn)一步分解對象中的成員變量，將其直接在棧上分配空間并賦值。

本地方法棧

本地方法棧相對來說比較簡單，就是保存native方法進(jìn)入?yún)^(qū)域的地址。

例如，在Java中創(chuàng)建線程，調(diào)用Thread對象的start()方法時，會通過本地方法start0()調(diào)用操作系統(tǒng)創(chuàng)建線程的方法。此時，本地方法棧就會保存start0()方法進(jìn)入?yún)^(qū)域的內(nèi)存地址。

程序計數(shù)器

程序計數(shù)器也叫作PC計數(shù)器，只要存儲的是下一條將要執(zhí)行的命令的地址。

JVM調(diào)優(yōu)實(shí)戰(zhàn)

在JVM中，主要是對堆（新生代）、方法區(qū)和棧進(jìn)行性能調(diào)優(yōu)。各個區(qū)域的調(diào)優(yōu)參數(shù)如下所示。

• 堆：-Xms、-Xmx
• 新生代：-Xmn
• 方法區(qū)（元空間）：-XX:MetaspaceSize、-XX:MaxMetaspaceSize
• 棧（線程）：-Xss

為了更加直觀的表述，我們可以將JVM的內(nèi)存區(qū)域和對應(yīng)的調(diào)優(yōu)參數(shù)總結(jié)成下圖所示。

在設(shè)置JVM啟動參數(shù)時，需要特別注意方法區(qū)（元空間）的參數(shù)設(shè)置。

關(guān)于方法區(qū)（元空間）的JVM參數(shù)主要有兩個：-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize。

-XX:MetaspaceSize： 指的是方法區(qū)（元空間）觸發(fā)Full GC的初始內(nèi)存大?。ǚ椒▍^(qū)沒有固定的初始內(nèi)存大小），以字節(jié)為單位，默認(rèn)為21M。達(dá)到設(shè)置的值時，會觸發(fā)Full GC，同時垃圾收集器會對這個值進(jìn)行修改。

如果在發(fā)生Full GC時，回收了大量內(nèi)存空間，則垃圾收集器會適當(dāng)降低此值的大?。蝗绻诎l(fā)生Full GC時，釋放的空間比較少，則在不超過設(shè)置的-XX:MetaspaceSize值或者在沒設(shè)置-XX:MetaspaceSize的值時不超過21M，適當(dāng)提高此值。

-XX:MaxMetaspaceSize： 指的是方法區(qū)（元空間）的最大值，默認(rèn)值為-1，不受堆內(nèi)存大小限制，此時，只會受限于本地內(nèi)存大小。

最后需要注意的是： 調(diào)整方法區(qū)（元空間）的大小會發(fā)生Full GC，這種操作的代價是非常昂貴的。如果發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在啟動的時候發(fā)生了Full GC，則很有可能是方法區(qū)（元空間）的大小被動態(tài)調(diào)整了。

所以，為了盡量不讓JVM動態(tài)調(diào)整方法區(qū)（元空間）的大小造成頻繁的Full GC，一般將-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize設(shè)置成一樣的值。例如，物理內(nèi)存8G，可以將這兩個值設(shè)置為256M。

最后，我們一起看下在物理內(nèi)存8G的情況下，啟動應(yīng)用程序時，可以設(shè)置的JVM參數(shù)。當(dāng)然，我這里給出的是一些經(jīng)驗值，實(shí)際部署到生產(chǎn)環(huán)境時，需要經(jīng)過壓測找到最佳的參數(shù)值。

• 啟動SpringBoot

java ‐Xms2048M ‐Xmx2048M ‐Xmn1024M ‐Xss512K ‐XX:MetaspaceSize=256M ‐XX:MaxMetaspaceSize=256M ‐jar xxx.jar

• 啟動Tomcat（Linux）

在Tomcat bin目錄下catalina.sh文件里配置。

‐Xms2048M ‐Xmx2048M ‐Xmn1024M ‐Xss512K ‐XX:MetaspaceSize=256M ‐XX:MaxMetaspaceSize=256M

• 啟動Tomcat（Windows）

在Tomcat bin目錄下catalina.bat文件里配置。

‐Xms2048M ‐Xmx2048M ‐Xmn1024M ‐Xss512K ‐XX:MetaspaceSize=256M ‐XX:MaxMetaspaceSize=256M

總結(jié)

今天，我們一起學(xué)習(xí)了JVM的整體架構(gòu)和調(diào)優(yōu)參數(shù)，主要包括：JVM的總體結(jié)構(gòu)、JVM的分類、JVM的構(gòu)成和調(diào)優(yōu)參數(shù)。你學(xué)會了嗎？