JVM深度解析：从入门到精通

我们知道java语言是跨平台的，一处编译，到处运行。一处编译就是将java文件编译成.class字节码文件。

只要编译的字节码文件符合jvm的规范，那么就可以在java虚拟机上运行，这也说明了它的语言无关性。

那么什么是JVM？

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java虚拟机主要由字节码指令集、寄存器、栈、垃圾回收堆和存储方法域等构成。 JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码）,就可以在多种平台上不加修改地运行。JVM在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

JVM的生命周期

JVM伴随Java程序的开始而开始，程序的结束而停止。一个Java程序会开启一个JVM进程，一台计算机上可以运行多个程序，也就可以运行多个JVM进程。

要先了解JVM内存模型，

首先要理解class文件的基本结构

文件以CA FE BA BE开始，后面紧跟的是minor version小版本号，major version大版本号，

constant_poop_count常量池数量，后面紧跟的就是常量池内容

access flags代表的是位运算

this_class、super class是class的信息

interface count是接口数量

interfaces是相关接口的信息

field_count是属性数量

fields是属性信息

methods_count是方法数量

method_info是相关方法信息

attribute_count是属性数量

attribute是相关属性信息（包含预定义属性，也可以是自定义信息）

其次总体把握JVM的运行原理，如图

程序计数器(线程私有)：

是当前线程锁执行字节码的行号计时器，每条线程都有一个独立的程序计数器，这类内存也称为“线程私有”的内存。正在执行java方法的话，计数器记录的是虚拟机字节码指令的地址(当前指令的地址)。如果是Native方法，则为空。

java 虚拟机栈（线程私有）

也是线程私有的。

每个方法在执行的时候也会创建一个栈帧，存储了局部变量，操作数，动态链接，方法返回地址。

每个方法从调用到执行完毕，对应一个栈帧在虚拟机栈中的入栈和出栈。

通常所说的栈，一般是指在虚拟机栈中的局部变量部分。

局部变量所需内存在编译期间完成分配，

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，则StackOverflowError。

如果虚拟机栈可以动态扩展，扩展到无法申请足够的内存，则OutOfMemoryError。

本地方法栈（线程私有）

和虚拟机栈类似，主要为虚拟机使用到的Native方法服务。也会抛出StackOverflowError 和OutOfMemoryError。

Java堆（线程共享）

被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动的时候创建，用于存放对象实例。

对可以按照可扩展来实现（通过-Xmx 和-Xms 来控制）

当队中没有内存可分配给实例，也无法再扩展时，则抛出OutOfMemoryError异常。

堆内存可以分为两个部分：年轻代和老年代。下图中的Perm代表的是永久代，但是注意永久代并不属于堆内存中的一部分，同时jdk1.8之后永久代也将被移除。

方法区（线程共享）

被所有方法线程共享的一块内存区域。

用于存储已经被虚拟机加载的类信息，常量，静态变量等。

这个区域的内存回收目标主要针对常量池的回收和堆类型的卸载。

对象的创建过程

1.classloading

2.classlinking（verification,preparation,resolution）

verification：验证

preparation：准备，静态变量赋默认值

resolution：解析

3.classinitializing：初始化；静态变量赋初始值，执行静态代码块

4.申请对象内存

5.成员变量赋默认值

6.调用构造方法（init）

a.成员变量顺序赋初始值

b.执行构造方法语句：先调用super()

一个完整对象包含：对象头，对象体和对齐字节

其中对象头包含的内容

可以看到存放分代年龄是4bit，所以1.8默认的PS+PO垃圾回收器，默认的分代年龄最大是15，即是由此而来

既然说到GC，垃圾回收器

那么什么是垃圾？

没有任何一个引用指向的一个或多个对象(循环引用)

如何定位垃圾？

引用计数法（ReferenceCount）

根可达算法（RootSearching）

常见的垃圾回收算法

标记清除（mark sweep）--位置不连续，产生碎片，效率偏低（两遍扫描）

拷贝算法（copying）--没有碎片，浪费空间

标记压缩（mark compact）--没有碎片，效率偏低（两遍扫描，指针需要调整）

JVM内存分代模型（用于分代垃圾回收算法）

常见的垃圾回收器

1. JDK诞生 Serial追随 提高效率，诞生了PS，为了配合CMS，诞生了PN，CMS是1.4版本后期引入，CMS是里程碑式的GC，它开启了并发回收的过程，

但是CMS毛病较多，因此目前任何一个JDK版本默认是CMS 并发垃圾回收是因为无法忍受STW

2. Serial 年轻代 串行回收

3. PS 年轻代 并行回收

4. ParNew 年轻代 配合CMS的并行回收

5. SerialOld

6. ParallelOld

7. ConcurrentMarkSweep 老年代 并发的， 垃圾回收和应用程序同时运行，降低STW的时间(200ms) CMS问题比较多，所以现在没有一个版本默认是CMS，只能手工指定 CMS既然是MarkSweep，就一定会有碎片化的问题，碎片到达一定程度，CMS的老年代分配对象分配不下的时候，使用SerialOld 进行老年代回收

想象一下：

PS + PO -> 加内存 换垃圾回收器 -> PN + CMS + SerialOld（几个小时 - 几天的STW）

几十个G的内存，单线程回收 -> G1 + FGC 几十个G -> 双T内存的服务器 ZGC

算法：三色标记 + Incremental Update

8. G1(10ms)

算法：三色标记 + SATB

9. ZGC (1ms) PK C++

算法：ColoredPointers + LoadBarrier

10. Shenandoah

算法：ColoredPointers + WriteBarrier

11. Eplison：调试用得多

12. 垃圾收集器跟内存大小的关系

• 1. Serial 几十兆

• 2. PS 上百兆 - 几个G

• 3. CMS - 20G

• 4. G1 - 上百G

• 5. ZGC - 4T - 16T（JDK13）

常见垃圾回收器组合参数设定（JDK 1.8）

* -XX:+UseSerialGC = Serial New (DefNew) + Serial Old

* 小型程序。默认情况下不会是这种选项，HotSpot会根据计算及配置和JDK版本自动选择收集器

* -XX:+UseParNewGC = ParNew + SerialOld

* 这个组合已经很少用（在某些版本中已经废弃）

* -XX:+UseConc (urrent)MarkSweepGC = ParNew + CMS + Serial Old

* -XX:+UseParallelGC = Parallel Scavenge + Parallel Old (1.8默认) 【PS + SerialOld】

* -XX:+UseParallelOldGC = Parallel Scavenge + Parallel Old

* -XX:+UseG1GC = G1

* Linux中没找到默认GC的查看方法，而windows中会打印UseParallelGC

* java +XX:+PrintCommandLineFlags -version

* 通过GC的日志来分辨

* Linux下1.8版本默认的垃圾回收器到底是什么？

* 1.8.0_181 默认（看不出来）Copy MarkCompact

* 1.8.0_222 默认 PS + PO

调优前的基础概念

1.吞吐量：

用户代码时间 / (用户代码时间+垃圾回收时间)

2.响应时间：

STW越短，响应时间越好

所谓调优

首先确定追求啥？吞吐量优先，还是响应时间优先？还是在满足一定的响应时间的情况下，要求达到多大的吞吐量...

什么是调优？

1.根据需求进行JVM规划和预调优

2.优化运行JVM运行环境（慢，卡顿）

3.解决JVM运行过程中出现的各种问题（OOM）

到此为止，如果都理解，那么JVM应该是可以简单入门了，至于更详细的执行原理，不同垃圾回收器的垃圾回收算法等等，请听下回分解咯O(∩_∩)O