JVM最完整最深入解析

Java運行時數據區

1. 程序計數器：指向當前線程正在執行的字節碼指令。線程私有的。
2. 虛擬機站：虛擬機站是Java執行方法的內存模型。每個方法被執行的時候，都會創建一個棧幀，把棧幀壓入棧，當方法正常返回或者拋出未捕獲的異常時，棧幀就會出棧。

         (1) 棧幀：棧幀存儲方法的相關信息，包含局部變量表、返回值、操作數棧、動態鏈接

         a) 局部變量表：包含了方法執行過程中的所有變量。局部變量數組所需要的空間在編譯期間完成分配，在方法運行期間不  會改變局部變量數組的大小。

         b) 返回值：如果有返回值的話，壓入調用者棧幀的操作數棧中，並且把PC的值指向方法調用指令後面的一條指令地址

         c) 操作數棧：操作變量的內存模型。操作數棧的最大深度在編譯的時候已經確定（寫入方法區code屬性的max_stacks頂中）。操作數棧的元素可以是任意java類型，包括long和double，32位數據佔用棧空間爲1，64位數據佔用2。方法剛開始執行的時候，棧是空的，當方法執行過程中，各種字節碼指令往棧中存取數據。

        d) 動態鏈接：每個棧幀都持有在運行時常量池中該棧幀所屬方法的引用，持有這個引用是爲了支持方法調用過程中的動態鏈接。

      （2）線程私有

    3. 本地方法棧

       1）調用本地native的內存模型

       2）線程獨享

     4. 方法區：用於存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯後的代碼等數據

    （1）線程共享的
    （2）運行時常量池： a) 是方法區的一部分。b）存放編譯期生成的各種字面量和符號引用。c）Class文件中除了存有類的版本、字段、方法、接口等描述信息，還有一項是常量池，存有這個類的編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容在類加載後，存放到方法區的運行時常量池中。

     5. 堆（Heap）：Java對象存儲的地方

      1）Java堆是虛擬機管理的內存中最大的一塊

      2）Java堆是所有線程共享的區域

      3）在虛擬機啓動時創建

      4）此內存區域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有對象實例都在這裏分配內存。存放new生成的對象和數組

      5）Java堆是垃圾收集器管理的內存區域，很多時候成爲GC堆

JMM Java內存模型

1. Java併發採用“共享內存”模型，線程之間通過讀寫內存的公共狀態進行通訊。

2. 主要目的是定義程序中各個變量的訪問規則

3. Java內存模型規定所有變量都存儲在主內存中，每個線程還有自己的工作內存。

  1）線程的工作內存中保存了被該線程使用到的變量的拷貝（從主內存中拷貝過來），線程對變量的所有操作都必須在工作內存中執行，而不能直接訪問主內存中的變量。

  2）不同線程之間無法訪問對方工作內存的變量，線程間變量值的傳遞都要通過主內存來完成的。

  3）主內存主要對應Java堆中實例數據部分。工作內存對英語虛擬機站中部分區域。

  

  3）每個線程有一個私有的本地內存，裏面存儲了讀/謝共享變量的副本。

4. Java線程之間的通信由內存模型JMM（Java Memory Model）控制。

  1）JMM決定一個線程對變量的寫入何時對另一個線程可見

  2）線程之間共享變量存儲在主內存中

  3）每個線程有一個私有的本地內存，裏面存儲了讀/寫共享變量的副本

  4）JMM通過控制每個線程的本地內存之間的交互，來爲程序員提供內存可見性保證

堆的內存劃分

Java堆的內存劃分分別爲年輕代、Old Memory（老年代）、Perm（永久代），在1.8中，永久代被移除，使用MetaSpace代替

1、新生代

1. 使用複製算法（Coping算法），因爲年輕代每次GC都要回收大部分對象。新生代裏分成一份較大的Eden空間和兩份較小的Survivor空間。每次使用Eden和其中一塊Survivor空間，然後垃圾回收的時候，把存活對象放到未使用的Survivor空間中，清空Eden和剛使用過的Survivor空間
2. 分爲Eden、Survivor From、Survivor To，比例默認爲8：1：1
3. 內存不足時發生Minor GC

2、老年代

1. 採用標記-整理算法（mark-compact），原因是老年代每次GC只會回收少部分對象

3、永久代

    用來存儲類的元數據，也就是方法區

1. Perm的廢除：在jdk1.8中，Perm被替換成MetaSpace，MetaSpace存放在本地內存中。原因是永久代進場內存不夠用，或者發生內存泄漏
2. MetaSpace（元空間）：元空間的本質和永久代類似，都是對JVM規範中方法區的實現。不過元空間與永久代之間最大的區別在於：元空間並不在虛擬機中，而是使用本地內存

GC垃圾回收

一、判斷對象是否要回收的方法：可達性分析法

1、可達性分析法：

      通過一系列“GC Roots”對象作爲起點進行搜索，如果在“GC Roots”和一個對象之間沒有可達路徑，則稱該對象是不可達的。不可達對象不一定會成爲可回收對象。進入DEAD狀態的線程還可以恢復，GC不會回收它的內存。（把一些對象當做root對象，JVM認爲root對象是不可回收的，並且root對象引用的對象也是不可回收的）

2、以下對象會被認爲是root對象：

1. 虛擬機棧（棧幀中本地變量表）中引用的對象
2. 方法區中靜態屬性引用的對象
3. 方法區中常量引用的對象
4. 本地方法棧中Native方法引用的對象

3、對象被判定可被回收，需要經歷兩個階段：

1. 第一個階段是可達性分析，分析該對象是否可達
2. 第二個階段是當對象沒有重寫finalize()方法或者finalize()方法已經被調用過，虛擬機認爲該對象不可以被救活，因此回收該對象。（finalize()方法在垃圾回收中的作用是，給該對象一次救活的機會）

4、方法去中的垃圾回收：

1. 常量池中一些常量、符號引用沒有被引用，則會被清理出常量池
2. 無用的類：被判定爲無用的類，會被清理出方法區。判定方法如下：a) 該類的所有實例被回收。b) 加載該類的ClassLoader被回收。c) 該類的class對象沒有被引用。

5、finalize()：

1. GC垃圾回收要回收一個對象的時候，調用該對象的finalize()方法。然後在下一次垃圾回收的時候，纔去回收這個對象的內存，
2. 可以在該方法裏面，制定一些對象在釋放前必須執行的操作。

二、發現虛擬機頻繁的full GC時應該咋辦：

    full GC指的是清理整個堆空間，包括年輕代和永久代

1. 首先用命令查看觸發GC的原因是什麼jstat -gccause進程id
2. 如果是System.gc()，則看下哪裏調用了
3. 如果是heap inspection(內存檢查)，可能是哪裏執行jmap -histo[:live] 命令
4. 如果是GC locker，可能是程序依賴的JNI庫的原因

三、常見的垃圾回收算法：

1、Mark-Sweep（標記-清除算法）：

1. 思想：標記-清除算法分爲兩個階段，標記階段和清除階段。標記階段任務是標記出所有需要回收的對象，清除階段就是清除被標記對象的空間。
2. 優缺點：實現簡單，容易產生內存碎片

2、Copying（複製清除算法）：

1. 思想：將可用內存劃分爲大小相等的兩塊，每次只使用其中一塊。當進行垃圾回收的時候了，把其中存活對象全部複製到另外一塊中，然後把已使用的內存空間一次清空掉
2. 優缺點：不容易產生內存碎片；可用內存空間少；存活對象多的話，效率低

3、Mark-Compact（標記-整理算法）：

1. 思想：先標記存活對象，然後把存活對象向一邊移動，然後清理掉端邊界以外的內存
2. 優缺點：不容易產生內存碎片；內存利用率高；存活對象多並且分散的時候，移動次數多，效率低下

4、分代手機算法（大部分JVM的垃圾收集器所採用的算法）：

1. 因爲新生代每次垃圾回收都要回收大部分對象，所以新生代採用Copying算法。新生代裏面分成一份較大的Eden空間和兩份較小的Survivor空間。每次只使用Eden和其中一塊Survivor空間，然後垃圾回收的時候，把存活對象放到未使用的Survivor（劃分出from、to）空間中，清空Eden和剛纔使用過的Survivor空間
2. 由於老年代每次只回收少量的對象，因此採用mark-compact算法
3. 在堆區外有一個永久代。對永久代的回收主要是無效的類和常量

5、GC使用時對程序的影響？

    垃圾回收會影響程序的性能，Java虛擬機必須要追蹤運行程序中的有用對象，然後釋放沒用對象，這個過程消耗處理器時間

6、幾種不同的垃圾回收類型：

1. Minor GC：從年輕代（包括Eden、Survivor區）回收內存
2. Major GC：清理整個老年代，當eden區內存不足時觸發
3. Full GC：清理整個堆空間，包括年輕代和老年代。當老年代內存不足時觸發

JVM優化

1、一般來說，當survivor區不夠大或者佔用量達到50%，就會把一些對象放到老年區。通過設置合理的eden區，survivor區及使用率，可以將年輕對象保存在年輕代，從而避免full GC，使用-Xmn設置年輕代的大小。

2、對於佔用內存比較多的大對象，一般會選擇在老年代分配內存。如果在年輕代給大對象分配內存，年輕代內存不夠了，就要在eden區移動大量對象到老年代，然後這些移動的對象可能很快消亡，因此導致full GC。通過設置參數：-XX:PetenureSizeThreshold=1000000，單位爲B，標明對象大小超過1M時，在老年代(tenured)分配內存空間。

3、一般情況下，年輕對象放在eden區，當第一次GC後，如果對象還存活，放到survivor區，此後，每GC一次，年齡增加1，當對象的年齡達到閾值，就被放到tenured老年區。這個閾值可以同構-XX:MaxTenuringThreshold設置。如果想讓對象留在年輕代，可以設置比較大的閾值。

4、設置最小堆和最大堆：-Xmx和-Xms穩定的堆大小堆垃圾回收是有利的，獲得一個穩定的堆大小的方法是設置-Xms和-Xmx的值一樣，即最大堆和最小堆一樣，如果這樣子設置，系統在運行時堆大小理論上是恆定的，穩定的堆空間可以減少GC次數，因此，很多服務端都會將這兩個參數設置爲一樣的數值。穩定的堆大小雖然減少GC次數，但是增加每次GC的時間，因爲每次GC要把堆的大小維持在一個區間內。

5、一個不穩定的堆並非毫無用處。在系統不需要使用大內存的時候，壓縮堆空間，使得GC每次應對一個較小的堆空間，加快單次GC次數。基於這種考慮，JVM提供兩個參數，用於壓縮和擴展堆空間。

1. -XX:MinHeapFreeRatio 參數用於設置堆空間的最小空閒比率。默認值是40，當堆空間的空閒內存比率小於40，JVM便會擴展堆空間
2. -XX:MaxHeapFreeRatio 參數用於設置堆空間的最大空閒比率。默認值是70， 當堆空間的空閒內存比率大於70，JVM便會壓縮堆空間
3. 當-Xmx和-Xmx相等時，上面兩個參數無效

6、通過增大吞吐量提高系統性能，可以通過設置並行垃圾回收收集器

1. -XX:+UseParallelGC:年輕代使用並行垃圾回收收集器。這是一個關注吞吐量的收集器，可以儘可能的減少垃圾回收時間
2. -XX:+UseParallelOldGC:設置老年代使用並行垃圾回收收集器

7、嘗試使用大的內存分頁：使用大的內存分頁增加CPU的內存尋址能力，從而系統的性能。-XX:+LargePageSizeInBytes 設置內存頁的大小

8、使用非佔用的垃圾收集器。-XX:+UseConcMarkSweepGC老年代使用CMS收集器降低停頓

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

10、JVM性能調優的工具：

1. jps（Java Process Status）：輸出JVM中運行的進程狀態信息(現在一般使用jconsole)
2. jstack：查看java進程內線程的堆棧信息
3. jmap：用於生成堆轉存快照
4. jhat：用於分析jmap生成的堆轉存快照（一般不推薦使用，而是使用Ecplise Memory Analyzer）
5. jstat是JVM統計監測工具。可以用來顯示垃圾回收信息、類加載信息、新生代統計信息等
6. VisualVM：故障處理工具

類加載機制：

一、概念

    類加載器把class文件中的二進制數據讀入到內存中，存放在方法區，然後在堆區創建一個java.lang.Class對象，用來封裝類在方法區內的數據結構。類加載的步驟如下：

1. 加載：查找並加載類的二進制數據（把class文件裏面的信息加載到內存裏面）
2. 連接：把內存中類的二進制數據合併到虛擬機的運行時環境中

       (1) 驗證：確保被加載的類的正確性，包括：

   A、類文件的結構檢查：檢查是否滿足Java類文件的固定格式
   B、語義檢查：確保類本身符合Java的語法規範
   C、字節碼驗證：確保字節碼流可以被Java虛擬機安全的執行。字節碼流是操作碼組成的序列。每一個操作碼後面都會跟着一個或者多個操作數。字節碼檢查這個步驟會檢查每一個操作碼是否合法。
   D、二進制兼容性驗證：確保相互引用的類之間是協調一致的

      (2) 準備：爲類的靜態變量分配內存，並將其初始化爲默認值

      (3) 解析：把類中的符號引用轉化爲直接引用（比如說方法的符號引用，是有方法名和相關描述符組成，在解析階段，JVM把符號引用替換成一個指針，這個指針就是直接引用，它指向該類的該方法在方法區中的內存位置）

    3. 初始化：爲類的靜態變量賦予正確的初始值。當靜態變量的等號右邊的值是一個常量表達式時，不會調用static代碼塊進行初始化。只有等號右邊的值是一個運行時運算出來的值，纔會調用static初始化。

二、雙親委派模型

1、當一個類加載起收到類加載請求的時候，他首先不會自己去加載這個類的信息，而是把該請求轉發給父類加載器，依次向上。所以所有的類加載請求都會被傳遞到父類加載器中，只有當父類加載器中無法加載到所需的類，子類加載器纔會自己嘗試去加載該類。噹噹前類加載器和所有父類加載器都無法加載該類時，拋出ClassNotFindException異常。

2、意義：

    提高系統的安全性。用戶自定義的類加載器不可能加載應該由父加載器加載的可靠類。（比如用戶定義了一個惡意代碼，自定義的類加載器首先讓系統加載器去加載，系統加載器檢查該代碼不符合規範，於是就不繼續加載了）

三、特點

1. 全盤負責：當一個類加載器加載一個類時，該類所依賴的其他類也會被這個類加載器加載到內存中。
2. 緩存機制：所有的Class對象都會被緩存，當程序需要使用某個Class時，類加載器先從緩存中查找，找不到，才從class文件中讀取數據，轉化成Class對象，存入緩存中

四、類加載器

    兩種類型的類加載器：

1、JVM自帶的類加載器（3種）：

    (1) 根類加載起（Bootstrap）:

        a) C++編寫的，程序員無法在程序中獲取該類

        b) 負責加載虛擬機的核心庫，比如java.lang.Object

        c）沒有繼承ClassLoader類

    (2) 擴展類加載器（Extension）:

        a) Java編寫的，從指定目錄中加載類庫

        b) 父加載器是根類加載器

        c) 是ClassLoader的子類

        d) 如果用戶把創建jar文件放到指定目錄中，也會被擴展加載器加載

    (3) 系統加載器（System）或者應用加載器（App）:

        a) Java編寫的
        b) 父加載器是擴展類加載器
        c) 從環境變量或者class.path中加載類
        d) 是用戶自定義類加載的默認父加載器
        e) 是ClassLoader的子類

2、用戶自定義的類加載器

（1）Java.lang.ClassLoader類的子類
（2）用戶可以定製類的加載方式
（3）父類加載器是系統加載器
（4）編寫步驟：
A、繼承ClassLoader
B、重寫findClass方法。從特定位置加載class文件，得到字節數組，然後利用defineClass把字節數組轉化爲Class對象
（5）爲什麼要自定義類加載器？ 
A、可以從指定位置加載class文件，比如說從數據庫、雲端加載class文件
B、加密：Java代碼可以被輕易的反編譯，因此，如果需要對代碼進行加密，那麼加密以後的代碼，就不能使用Java自帶的ClassLoader來加載這個類了，需要自定義ClassLoader，對這個類進行解密，然後加載。