Jvm总结
Jvm总结
标签（空格分隔）： Java jvm
文章目录
- Jvm总结
- jvm原理
- Java源码编译机制
- 类加载机制
- 类执行机制
- jvm内存管理和垃圾回收
- jvm内存结构
- 程序计数器（Program Counter Register）
- JVM虚拟机栈（JVM Stacks）
- 本地方法栈（Native Method Stacks）
- 堆（Heap）
- 方法区（Method Area）
- 垃圾回收
- Java程序性能优化
jvm原理
JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它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虚拟机包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。 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。
Java代码编译和执行的整个过程包含了以下三个重要的机制：
- Java源码编译机制
- 类加载机制
- 类执行机制
Java源码编译机制
Java 源码编译由以下三个过程组成：
- 分析和输入到符号表
- 注解处理
- 语义分析和生成class文件
类加载机制
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Bootstrap ClassLoader
负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++实现，不是ClassLoader子类 -
Extension ClassLoader
负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包 -
App ClassLoader
负责记载classpath中指定的jar包及目录中class -
Custom ClassLoader
属于应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader加载过程中会先检查类是否被已加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查，只要某个classloader已加载就视为已加载此类，保证此类只所有ClassLoader加载一次。而加载的顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试加载此类。
类执行机制
JVM是基于栈的体系结构来执行class字节码的。线程创建后，都会产生程序计数器（PC）和栈（Stack），程序计数器存放下一条要执行的指令在方法内的偏移量，栈中存放一个个栈帧，每个栈帧对应着每个方法的每次调用，而栈帧又是有局部变量区和操作数栈两部分组成，局部变量区用于存放方法中的局部变量和参数，操作数栈中用于存放方法执行过程中产生的中间结果。栈的结构如下图所示：
jvm内存管理和垃圾回收
jvm内存结构
Java虚拟机会将内存分为几个不同的管理区，这些区域各自有各自的用途，根据不同的特点，承担不同的任务以及在垃圾回收时运用不同的算法。总体分为下面几个部分：
- 程序计数器（Program Counter Register）
- JVM虚拟机栈（JVM Stacks）
- 本地方法栈（Native Method Stacks）
- 堆（Heap）
- 方法区（Method Area）
程序计数器（Program Counter Register）
这是一块比较小的内存，不在Ram上，而是直接划分在CPU上的，程序员无法直接操作它，它的作用是：JVM在解释字节码文件（.class）时，存储当前线程所执行的字节码的行号，只是一种概念模型，各种JVM所采用的方式不同，字节码解释器工作时，就是通过改变程序计数器的值来选取下一条要执行的指令，分支、循环、跳转、等基础功能都是依赖此技术区完成的。还有一种情况，就是我们常说的Java多线程方面的，多线程就是通过现程轮流切换而达到的，同一时刻，一个内核只能执行一个指令，所以，对于每一个程序来说，必须有一个计数器来记录程序的执行进度，这样，当现程恢复执行的时候，才能从正确的地方开始，所以，每个线程都必须有一个独立的程序计数器，这类计数器为线程私有的内存。如果一个线程正在执行一个Java方法，则计数器记录的是字节码的指令的地址，如果执行的一个Native方法，则计数器的记录为空，此内存区是唯一一个在Java规范中没有任何OutOfMemoryError情况的区域。
JVM虚拟机栈（JVM Stacks）
JVM虚拟机栈就是我们常说的堆栈的栈（我们常常把内存粗略分为堆和栈），和程序计数器一样，也是线程私有的，生命周期和线程一样，每个方法被执行的时候会产生一个栈帧，用于存储局部变量表、动态链接、操作数、方法出口等信息。方法的执行过程就是栈帧在JVM中出栈和入栈的过程。局部变量表中存放的是各种基本数据类型，如boolean、byte、char、等8种，及引用类型（存放的是指向各个对象的内存地址），因此，它有一个特点：内存空间可以在编译期间就确定，运行期不在改变。这个内存区域会有两种可能的Java异常：StackOverFlowError和OutOfMemoryError。
本地方法栈（Native Method Stacks）
从名字即可看出，本地方法栈就是用来处理Java中的本地方法的，Java类的祖先类Object中有众多Native方法，如hashCode()、wait()等，他们的执行很多时候是借助于操作系统，但是JVM需要对他们做一些规范，来处理他们的执行过程。此区域，可以有不同的实现方法，向我们常用的Sun的JVM就是本地方法栈和JVM虚拟机栈是同一个。
堆（Heap）
堆内存是内存中最重要的一块，也是最有必要进行深究的一部分。因为Java性能的优化，主要就是针对这部分内存的。所有的对象实例及数组都是在堆上面分配的（随着JIT技术的逐渐成熟，这句话视乎有些绝对，不过至少目前还基本是这样的），可通过-Xmx和-Xms来控制堆的大小。JIT技术的发展产生了新的技术，如栈上分配和标量替换，也许在不久的几年里，即时编译会诞生及成熟，那个时候，“所有的对象实例及数组都是在堆上面分配的”这句话就应该稍微改改了。堆内存是垃圾回收的主要区域，所以在下文垃圾回收板块会重点介绍，此处只做概念方面的解释。在32位系统上最大为2G，64位系统上无限制。可通过-Xms和-Xmx控制，-Xms为JVM启动时申请的最小Heap内存，-Xmx为JVM可申请的最大Heap内存。
方法区（Method Area）
方法区是所有线程共享的内存区域，用于存储已经被JVM加载的类信息、常量、静态变量等数据，一般来说，方法区属于持久代（关于持久代，会在GC部分详细介绍，除了持久代，还有新生代和旧生代），也难怪Java规范将方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它不是堆。方法区的垃圾回收比较棘手，就算是Sun的HotSpot VM在这方面也没有做得多么完美。此处引入方法区中一个重要的概念：运行时常量池。主要用于存放在编译过程中产生的字面量（字面量简单理解就是常量）和引用。一般情况，常量的内存分配在编译期间就能确定，但不一定全是，有一些可能就是运行时也可将常量放入常量池中，如String类中有个Native方法intern()<关于intern()的详细说明，请看另一篇文章：http://blog.csdn.net/zhangerqing/article/details/8093919>
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垃圾回收
C、C++程序员有时苦于内存泄露，内存管理是件令人头痛的事儿，但是Java程序员呢，又羡慕C++程序员，自己可以控制一切，这样就不会在内存管理方面显得束手无策，的却如此，作为Java程序员我们很难去控制JVM的内存回收，只能根据它的原理去适应，尽量提高程序的性能。
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为什么要进行垃圾回收？
随着程序的运行，内存中存在的实例对象、变量等信息占据的内存越来越多，如果不及时进行垃圾回收，必然会带来程序性能的下降，甚至会因为可用内存不足造成一些不必要的系统异常。 -
哪些“垃圾”需要回收？
在我们上面介绍的五大区中，有三个是不需要进行垃圾回收的：程序计数器、JVM栈、本地方法栈。因为它们的生命周期是和线程同步的，随着线程的销毁，它们占用的内存会自动释放，所以只有方法区和堆需要进行GC。具体到哪些对象的话，简单概况一句话：如果某个对象已经不存在任何引用，那么它可以被回收。通俗解释一下就是说，如果一个对象，已经没有什么作用了，就可以被当废弃物被回收了。 -
什么时候进行垃圾回收？
从一个叫GC Roots的对象开始，向下搜索，如果一个对象不能到达GC Roots对象的时候，说明它已经不再被引用，即可被进行垃圾回收。
a> 强引用(Strong Reference).就是为刚被new出来的对象所加的引用，它的特点就是，永远不会被回收。
b> 软引用(Soft Reference).声明为软引用的类，是可被回收的对象，如果JVM内存并不紧张，这类对象可以不被回收，如果内存紧张，则会被回收。此处有一个问题，既然被引用为软引用的对象可以回收，为什么不去回收呢？其实我们知道，Java中是存在缓存机制的，就拿字面量缓存来说，有些时候，缓存的对象就是当前可有可无的，只是留在内存中如果还有需要，则不需要重新分配内存即可使用，因此，这些对象即可被引用为软引用，方便使用，提高程序性能。
c> 弱引用(Weak Reference).弱引用的对象就是一定需要进行垃圾回收的，不管内存是否紧张，当进行GC时，标记为弱引用的对象一定会被清理回收。
d> 虚引用(Phantom Reference).虚引用弱的可以忽略不计，JVM完全不会在乎虚引用，其唯一作用就是做一些跟踪记录，辅助finalize函数的使用。
最后总结，什么样的类需要回收呢？无用的类，何为无用的类？需满足如下要求：
1> 该类的所有实例对象都已经被回收。
2> 加载该类的ClassLoader已经被回收。
3> 该类对应的反射类java.lang.Class对象没有被任何地方引用。
4、如何进行垃圾回收？
内存主要被分为三块，新生代（年轻代）、旧生代、持久代(jdk1.8中没有持久代，称为元数据)。三代的特点不同，造就了他们所用的GC算法不同，新生代适合那些生命周期较短，频繁创建及销毁的对象，旧生代适合生命周期相对较长的对象，持久代在Sun HotSpot中就是指方法区（有些JVM中根本就没有持久代这中说法）。
常见的GC算法：
- 标记-清除算法（Mark-Sweep）
- 复制算法（Copying）
- 标记-整理（或叫压缩）算法（Mark-Compact）
三种实际的垃圾回收器:
- 串行GC（SerialGC）
- 并行回收GC（Parallel Scavenge）
- 并行GC（ParNew）
Java程序性能优化
1.gc()的调用
调用gc 方法暗示着Java 虚拟机做了一些努力来回收未用对象，以便能够快速地重用这些对象当前占用的内存。当控制权从方法调用中返回时，虚拟机已经尽最大努力从所有丢弃的对象中回收了空间，调用System.gc() 等效于调用Runtime.getRuntime().gc()。
2.finalize()的调用及重写
gc 只能清除在堆上分配的内存(纯java语言的所有对象都在堆上使用new分配内存)，而不能清除栈上分配的内存（当使用JNI技术时,可能会在栈上分配内存，例如java调用c程序，而该c程序使用malloc分配内存时）。因此，如果某些对象被分配了栈上的内存区域，那gc就管不着了，对栈上的对象进行内存回收就要靠finalize()。举个例子来说,当java 调用非java方法时（这种方法可能是c或是c++的）,在非java代码内部也许调用了c的malloc()函数来分配内存，而且除非调用那个了 free() 否则不会释放内存(因为free()是c的函数),这个时候要进行释放内存的工作,gc是不起作用的,因而需要在finalize()内部的一个固有方法调用free()。
3.优秀的编程习惯
（1）避免在循环体中创建对象，即使该对象占用内存空间不大。
（2）尽量及时使对象符合垃圾回收标准。
（3）不要采用过深的继承层次。
（4）访问本地变量优于访问类中的变量。
4.jvm参数调整
在JVM启动参数中，可以设置跟内存、垃圾回收相关的一些参数设置，默认情况不做任何设置JVM会工作的很好，但对一些配置很好的Server和具体的应用必须仔细调优才能获得最佳性能。通过设置我们希望达到一些目标：
- GC的时间足够的小
- GC的次数足够的少
- 发生Full GC的周期足够的长
前两个目前是相悖的，要想GC时间小必须要一个更小的堆，要保证GC次数足够少，必须保证一个更大的堆，我们只能取其平衡。
（1）针对JVM堆的设置，一般可以通过-Xms -Xmx限定其最小、最大值，为了防止垃圾收集器在最小、最大之间收缩堆而产生额外的时间，我们通常把最大、最小设置为相同的值
（2）年轻代和年老代将根据默认的比例（1：2）分配堆内存，可以通过调整二者之间的比率NewRadio来调整二者之间的大小，也可以针对回收代，比如年轻代，通过 -XX:newSize -XX:MaxNewSize来设置其绝对大小。同样，为了防止年轻代的堆收缩，我们通常会把-XX:newSize -XX:MaxNewSize设置为同样大小
（3）年轻代和年老代设置多大才算合理？这个我问题毫无疑问是没有答案的，否则也就不会有调优。我们观察一下二者大小变化有哪些影响
- 更大的年轻代必然导致更小的年老代，大的年轻代会延长普通GC的周期，但会增加每次GC的时间；小的年老代会导致更频繁的Full GC
- 更小的年轻代必然导致更大年老代，小的年轻代会导致普通GC很频繁，但每次的GC时间会更短；大的年老代会减少Full GC的频率
- 如何选择应该依赖应用程序对象生命周期的分布情况：如果应用存在大量的临时对象，应该选择更大的年轻代；如果存在相对较多的持久对象，年老代应该适当增大。但很多应用都没有这样明显的特性，在抉择时应该根据以下两点：（A）本着Full GC尽量少的原则，让年老代尽量缓存常用对象，JVM的默认比例1：2也是这个道理 （B）通过观察应用一段时间，看其他在峰值时年老代会占多少内存，在不影响Full GC的前提下，根据实际情况加大年轻代，比如可以把比例控制在1：1。但应该给年老代至少预留1/3的增长空间
（4）在配置较好的机器上（比如多核、大内存），可以为年老代选择并行收集算法： -XX:+UseParallelOldGC ，默认为Serial收集
- 线程池
- 连接池