java 虛擬機
jvm 內存結構
前言
對於中級程序猿或者高級程序猿，可以說jvm這塊知識是必須掌握的了吧，畢竟在跳槽找工作面試時，都會提問關於jvm的相關知識，與其死記硬背，不如靜下心來主動捅破這層窗戶，深入瞭解下關於jvm的知識點；
jvm 內存結構
jvm的內存結構主要分爲 4部分，其中主要分析的是運行時數據區。運行時數據區包含 程序計數器，堆，棧，本地方法棧以及方法區，其中堆和方法區是線程共享的，其他的3種是線程私有的。jvm的優化主要發生在 堆和方法區。
程序計數器
程序計數器 是線程私有的，他是一塊比較小的內存空間，可以將它看成是當前線程執行字節碼的行號顯示器。更加確切的說，一個線程的執行，是通過字節碼解釋器來改變當前線程的計數器的值，來獲取到下一條需要執行字節碼的指令，從而保證線程的正常執行；
如果執行的是java程序，那麼顯示的是正在執行的虛擬機字節碼指令地址，如果執行的是Native 程序，那麼展示的是undefined ;
虛擬機棧
什麼是棧
瞭解虛擬機棧之前，首先了解下什麼是棧？
棧 是一種僅能在表頭進行插入和刪除的線性表結構，及所說的棧是一種先進後出的；
棧是線程私有的，它的生命週期是和線程綁定在一起的，線程執行前，都會分配一個獨立的棧空間；
棧中主要存儲了什麼
棧的元素是棧幀，每個方法在執行時都會創建一個棧幀，棧幀裏主要存儲了局部變量表，操作數棧，方法出口以及動態連接等信息；其實每個方法在調用執行的時候，就對應了一個入棧和出棧的過程。
局部變量表
在棧幀中，是由局部變量表進行存儲數據的，那麼局部變量表主要存儲了基本數據類型的局部變量，對象的引用，但是局部變量表中並不存儲對象的內容。局部變量表在程序進行編譯時，進行內存空間的分配。
操作數棧
操作數棧的元素是java 中的任意數據類型，在編譯時，操作數棧是空的，在方法執行的過程中，通過字節碼指令完成操作數棧的入棧和出棧過程。通常在進行算術運算的時候是通過操作數棧完成的。所以可以說操作數棧是用於計算的臨時儲存區；
棧的異常
棧的異常主要有兩種:
-
StackOverflowError：棧溢出錯誤
線程所需要的棧內存大小> 配置允許的棧內存大小，那麼java虛擬機會拋出 棧內存溢出溢出 -
OutOfMemoryError：內存不足
棧內存在進行擴展時，申請的內存大於剩餘的內存時，會拋出內存不足的異常； -
在面試過程中，會提問到，爲什麼使用遞歸會造成棧溢出? 原因是，遞歸每次調用時，都會創建一個棧幀，這樣會導致，遞歸層數越深，所需要的棧的大小超過jvm設置的棧大小，所以會拋出StackOverflowError的異常；
堆
什麼是堆？
堆是完全二叉樹，也就是說除了樹的最後一層節點不需要是滿的，其他的每一層從左到右都必須是滿的。
java堆
在java中，堆是java 虛擬機管理最大的內存區域，它是線程共享的，主要存放了new 關鍵字創建的對象。所有對象的實例都是在堆上進行分配的，它也是發生垃圾回收的主要區域；
java 堆又分爲年輕代（Young Generation） ,年老代（Old Gereration，且年輕代和年老代的比例是1:2 的關係。在年輕代中又分爲 Eden , to Survivor ,from Survivor 空間，他們的關係是8:1:1 的關係。
在年輕代中主要存儲的是“新生對象”，當年輕代滿了之後，會出發minor gc 來清理年輕代內存；
在年老代中主要存儲的是長期存活的對象或者大對象，所以在新生代多次未清理掉的對象會進入年老代中。當年老代滿了之後，會出發full gc；
需要注意的是，full gc不單單是隻清理年老代，而是清理整個內存空間，包含年輕代和年老代。如果full gc 清理之後，還是無法存儲對象，那麼就會發生我們常見的內存溢出；
方法區
什麼是方法區
方法區是同java 的堆一樣，是線程共享的，主要用來存儲已經被加載的類的信息，常量，靜態變量，以及及時編譯器編譯後的代碼。可以更形象的說 靜態變量，常量，類信息，常量池都是存在方法區中的；
需要注意的是，在jdk1.8 之後，取消了方法區，而取而代之的是MetaSpace 元空間，元空間不是存在jvm中的，而是存在於本地內存中的；
java 垃圾回收
垃圾判斷
既然要進行垃圾回收，首先需要判斷哪些是垃圾。在java 中，判斷是否是垃圾有兩種方式，分別是 引用計數法，可達性分析 。
引用計數法
引用計數法很簡單，就是一個對象被引用時加一，去除引用時減一，這樣我們就可以進行判斷引用計數是否爲零 來判斷當前對象是否是垃圾了。
已用計數方法雖然簡單，但是存在一個問題，在進行循環引用時，無法判斷是否爲垃圾對象。例如：a ,b兩個對象，a引用了 b, b引用了a ,但是a ,b對象未被其他對象引用，理論上來講，a ,b 兩個對象是屬於垃圾回收範圍內的，但是他們的計數器並不爲0 ，所以無法將a ，b 兩個對象進行垃圾回收；
可達性分析
可達性分析的思路是通過 “GC Roots ” 的對象作爲起點，從這個起點向下搜索，所搜索的路徑稱爲“引用鏈” ，當一個對象沒有任何引用鏈的時候，那麼證明這個對象是不可用的，則會被垃圾回收掉；
在java 中，可以作爲 “GC Roots” 的對象主要有幾下幾種：
- 虛擬機棧中的引用對象
- 方法區中類靜態引用對象
- 方法區中常量引用對象
垃圾回收算法
垃圾回收算法主要有: 標記-清除，標記-整理，複製 ，分代收集算法。
標記-清除
標記清除算法主要包含了標記和清除兩個階段。標記階段是由GC Roots 觸發的可達對象。清除階段是清除未被標記的對象。
缺點: 標記清除會產生內存碎片問題，如果內存碎片過多，會導致內存地址不連續，在後續內存分配是效率會降低；
標記-整理
標記整理和標記清除很相像，只不過標記整理是在標記完之後，會將存活的對象向一邊移動，然後清理未標記的對象
缺點:整理時比較耗時
複製
複製算法是每次都將內存劃分兩塊，每次只使用其中的一塊，當這塊用完時，會將存活的對象複製到另外一塊內存上，然後將已經使用過的進行一次內存清理。
缺點： 標記佔用內存，當對象存活率較高時，需要頻繁的去複製，效率變低；
分代收集
分代收集算法是針對不同的分代，採取不同的收集方法，在“新生代” 中以爲對象存活率低，所以採用“複製算法” 進行收集，在“年老代” 中，因爲對象存活率高，所以採用“標記-清除”，“標記-整理”算法。
新生代分爲Eden 和兩個大小相同的Survivor 區，所有新創建的對象都存放下Eden區，當Eden 區滿了之後，會觸發Minor Gc,然後會將仍然存活的對象移到其中一個Survivor 區，並始終保證一個Survivor 爲空。如果在Survivor 區存放不了，那麼Gc 收集器會將這些對象直接存放在Old 區，如果在Old 區也滿了之後，就會觸發full gc 了。full gc 會進行觸發清理整個堆內存；
垃圾收集器
新生代的回收器主要有:Serial、ParNew、Parallel Scavenge(這三種算法都採用了標記-複製算法)
老年代回收器主要有:CMS、Serial Old、Parallel Old
分代收集：G1
CMS，G1
CMS收集的步驟爲：
初始標記–>併發標記–>重新標記–>併發清除
初始標記:需要停止運行程序的，初始標記僅僅只是標記一下GC Roots能關聯到的對象。
併發標記：進行GC Roots Tracing 的過程，就是追蹤與GC Roots關聯的對象是否還在使用中。
重新標記：在上一步併發標記時，程序是在運行的，會產生新的垃圾對象，對象地址也有所變動，所以需要重新標記一下，但是這樣也會導致程序暫停。
併發清除：這個階段就是清除垃圾對象，因爲是並行運行的，所以這時也會產生新的垃圾，但是這些垃圾是清理不掉的，因爲沒有被標記，所以只有等下次GC回收。
CMS清除算法有2個缺點：
- 因爲使用的是標記-清除算法，所以會產生內存碎片，無法回收併發清除階段產生的垃圾， 對CPU資源很敏感。
- 無法處理浮動垃圾,可能出現"Concurrent Mode Failure"失敗（浮動垃圾：新線程產生的垃圾）
G1回收算法(慢慢要替代CMS回收算法)
爲解決CMS算法產生空間碎片和其它一系列的問題缺陷.G1中提供了三種模式垃圾回收模式，young gc、mixed gc 和 full gc，在不同的條件下被觸發。
發生在年輕代的GC算法，一般對象（除了巨型對象）都是在eden region中分配內存，當所有eden region被耗盡無法申請內存時，就會觸發一次young gc.
當越來越多的對象晉升到老年代old region時，爲了避免堆內存被耗盡，虛擬機會觸發一個混合的垃圾收集器
缺點:G1垃圾回收器對內存的要求較高，一般建議4G以上使用
JDK 性能監控
- 在生產環境上多多少少會碰到過jvm 內存溢出情況，這個時候需要分析溢出原因，就需要一些工具和命令進行監控。
在jdk 中提供的非常強大的可視化工具jvisualvm.exe
![jvisulvm]()
- 另外可以使用命令可以進行對jdk 的使用情況進行監控，以下是常用命令；
查看虛擬機進程: jps 命令
jps 命令可以列出所有的java 進程。
除此之外，還有一些參數可以自定義輸出:
-q 指定jps只輸出進程ID
-m 輸出傳遞給Java進程的參數
-l 輸出主函數的完整路徑
-v 顯示傳遞給Java虛擬機的參數
虛擬機統計信息：jstat 命令
jstat 用於觀察 Java 堆信息的詳細情況
命令: jstat -option 進程id
| 參數 | 含義 |
|---|---|
| -class | 監視類裝載、卸載數量、總空間以及類裝載所耗費的時間 |
| -gc | 監視Java堆狀況，包括Eden區、兩個Survivor區、老年代、永久代等的容量、已用空間、GC時間合計等信息 |
| -gccapacity | 監視內容與-gc基本相同，但輸出主要關注Java堆各個區域使用到的最大、最小空間 |
| -gcutil | 監視內容與-gc基本相同，但輸出主要關注已使用空間佔總空間的百分比 |
| -gccause | 與-gcutil功能一樣，但是會額外輸出導致上一次GC產生的原因 |
| -gcnew | 監視新生代GC狀況 |
| -gcnewcapacity | 監視內容與-gcnew基本相同，輸出主要關注使用到的最大、最小空間 |
例：
jstat -gcutil 2365
| S0 | S1 | E | O | P | YGC | YGCT | FGC | FGCT | GCT |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.00 | 0.00 | 12.05 | 0.00 | 14.71 | 0 | 0.000 | 0 | 0.00 | 0.00 |
其中每個選項的意義如下：
S0、S1 表示Survivor0、Survivor1，還未使用。
E 表示Eden區使用了12.05%的空間。
O 表示老年代還未使用。
P 表示永久代使用了14.17%的空間
YUC、YGCT 表示從程序運行以來一共發生了0次Minor GC（YGC，Young GC），總共耗時0秒。
FGC、FGCT 表示從程序運行以來一共發生了0次Full GC（FGC，Full GC），總共耗時0秒。
查看虛擬機參數：jinfo 命令
命令: jinfo -option pid
導出堆到文件：jmap 命令
jmap 是一個多功能命令，可以生成 Java 程序的 Dump 文件，也可以查看堆內對象實例的統計信息、查看 ClassLoader 的信息以及 finalizer 隊列。
命令: jmap -option pid
堆分析工具：jhat 命令
jhat 命令用於分析 Java 應用的對快照內存。Sun JDK 提供了 jhat 命令與 jmap 搭配使用，來分析 jmap 生成的堆轉儲快照。jhat 內置了一個微型的 HTTP/HTML 服務器，生成 dump 文件的分析結果後，可以在瀏覽器中查看( http://localhost:7000)