jvm总结1
JVM与锁(总结)
JVM
JVM内存结构
JVM类似于计算器内存结构，也是由主内存、工作内存及内存一致性协议等构成。
所有的工作基本在每个线程的工作内存中进行处理。变量会从主存中进行复制到工作内存处理，
然后再次刷回主内存。
A：这样就会存在，多个线程对一个共享变量的操作出现不一致现象。也就是多线程编程的一个需要解决的问题。
Q:JVM提供了多种方式去解决此类问题。如voliate 、Synchronized、JDK中的concurrent包中的AQS和atomic包等。
JVM运行期数据区
JVM运行时数据区如上，JVM规范中分为 java虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区(1.8元空间)、程序计数器五大块。
hotspot JVM厂商将 虚拟机栈与本地方法栈进行合并实现为栈，线程独享；将方法区由1.7之前的永久代变为1.8之后的元空间(又名持久代，主要包括类的层级信息，方法数据和方法信息（如字节码，栈和变量大小），运行时常量池，已确定的符号引用和虚方法表及JIT优化编译信息)，此区域线程共享，常量池已经移动至堆中，堆的大方向特点为线程共享区，当然也会有部分为了线程创建时申请堆内存耗费时间，此时会有私有的一个堆空间即TALB，在读取时是线程共享的，但是在内存分配上是线程独享的。程序计数器为线程独享，会记录栈的出入点，在cpu切换时间片等记录。
栈
hotspot将虚拟机栈及本地方法栈(调用本地方法即native方法)合并实现
栈由栈桢组成，栈是线程独享的，为先进后出的数据结构。
栈帧的结构分为“局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口”几个部分。
通常说的栈内存指的是虚拟机栈的栈帧中的局部变量表，因为这里存放了一个方法的所有局部变量。
方法调用时，创建栈帧，并压入虚拟机栈；方法执行完毕，栈帧出栈并被销毁。
如果不断压栈，但是却不出栈，会导致栈内存不足从而导致StackOverflowError(单个栈内存不够)、
或者OutOfMemoryError(栈总内存不足)问题。例如没有方法出口的递归等。
JVM相关参数
-Xss:指定单个线程虚拟机栈大小
栈在对象使用synchronize锁的轻量级锁及重量级锁后会存储相关信息。即LockRecord
堆
涉及到堆，会有内存分配、垃圾收集、优化参数设置等
内存分配
内存分配：
堆整体会被分为年轻代、老年代
年轻代会被分为eden伊甸园区、fromSurvivor区、toSurvivor区。
垃圾收集
何为垃圾，如何识别垃圾。
垃圾即为创造后完成了某种用途后，不再有使用价值，但是还在占用资源。
例如生活中，你买个伊利火炬，还是原味儿的，肯定是原味儿的。当你吃完后，包装袋还在手里。
这个包装袋就是垃圾，不再有使用价值而且一直会在你手里。你就需要收集处理掉。
java中，当一个对象使用完毕，并且不再有其他地方引用后，它不经过处理会一直占用内存空间，导致JVM内存不足，也需要进行收集。不过java语言中垃圾的回收会由JVM进行处理，从而减轻开发人员的负担。
对象引用类型
java中有四种引用类型。
强引用
一般 A a = new A()；此类都是强引用，
在拥有强引用时，GC是不会主动进行垃圾收集，除非使用完毕后进行了a=null;操作。
可以看ArrayList的clear方法会将数组直接使用null赋值，等待GC回收。
软引用
在Java中用java.lang.ref.SoftReference类来表示，
Object obj = new Object();
SoftReference 如上所示，sf就会保留一个obj的软引用，当内存充足无需gc时，软引用使用get方法可以获取到，
但是内存不足前时，会对此关联的对象进行回收及开始回收obj，并且此时obj并没有赋值null。
其可以和引用队列进行合并使用，引用队列有两个构造函数，一个带quene一个不带quene，而如果不带的话，就只有不断地轮询reference对象，通过判断里面的get是否返回null( phantomReference对象不能这样作，其get始终返回null，因此它只有带queue的构造函数 )。
这两种方法均有相应的使用场景，取决于实际的应用。
如weakHashMap中就选择去查询queue的数据，来判定是否有对象将被回收。
而ThreadLocalMap，则采用判断get()是否为null来作处理，key是一个弱引用，value是一个强引用。
弱引用
弱引用和软引用的区别在于：弱引用的对象具有更短暂的生命周期。在垃圾回收时，一旦发现了只具有弱引
用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线
程， 因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。
弱引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟
机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。
虚引用
即没有什么实际意义的引用，并不会对对象声名周期产生影响
垃圾回收时回收，无法通过引用取到对象值，可以通过如下代码实现
Object obj = new Object();
PhantomReference虚引用是每次垃圾回收的时候都会被回收，通过虚引用的get方法永远获取到的数据为null，
因此也被成为幽灵引用。虚引用主要用于检测对象是否已经从内存中删除。
如何确认是否为垃圾(无用对象)
一般会有两种做法，一种是引用计数法，一种为可达性分析法。
引用计数法，即每个对象记录自己的引用数，简单但是无法解决循环引用问题。
可达性分析法。即寻找根节点，然后从根节点查找其引用.OopMap结构。可作为根节点的
(1). 虚拟机栈（栈帧中的局部变量区，也叫做局部变量表）中引用的对象。
(2). 方法区中的类静态属性引用的对象。
(3). 方法区中常量引用的对象。
(4). 本地方法栈中JNI(Native方法)引用的对象。
根据java数据特点，大多数对象会在方法结束后失去意义。意味着只有少量对象会需要进行复用。这样就采取了内存的分区。
在内存分区上，根据不同分区的特性及运作流程。例如对象会先进入到eden区，当该区域内存不足时，会进
行MGC，对还存活的对象规整到survivor区，并且如果from区已经有对象，会也参与GC，最后将from 和to进
行调换，形成一个空的survivor区。此时会采取复制算法。内存小则造成的STW会少。当然也可以设置一些大
对象直接进入老年代。老年代的垃圾收集一般会进行标记，然后清除或者整理。只进行清除会造成内存碎片
过多，所以优先会使用标记整理算法。
垃圾回收会造成STW，但是不同的垃圾回收器会尽量减少停顿时间，增强收集效率。
常见的垃圾回收器：
serial serialOld
为单线程年轻代和老年代收集器。串行收集器，jvm运行在client模式下的默认配置。
开启配置 -XX:+SerialGC
Parallel Scavenge + Parallel Old 并行收集器，
年轻代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法，jvm运行在server模式下的默认配置。开启配置开启选
项：-XX:+UseParallelGC或-XX:+UseParallelOldGC(可互相激活)
ParNew + CMS + Serial Old 并发标记清楚收集器，
开启选项：-XX:+UseConcMarkSweepGC，cms和serialOld都是针对老年代的收集。
G1收集器
开启选项：-XX:+UseG1GC
参考资料：[https://blog.csdn.net/renfufei/article/details/41897113]
CMS收集器：cms收集器是jvm堆中老年代的垃圾收集器，其并发执行时，必须在老年代内存未用尽前完成，
如果无法完成，会降级为串行收集器及serialOld收集器进行垃圾回收。此时就会造成长时间的STW。cms收
集器是并发清楚算法，在老年代会造成大量内存碎片，此时老年代内存会被耗尽，会触发担保机制，对内存
进行压缩。其提供了jvm参数支持-XX:CMSFullGCsBeForeCompaction(默认0，即每次都进行内存整理)来指
定多少次CMS收集之后，进行一次压缩的Full GC。
cms收集器过程:
初始标记、并发标记、预清理、可中断预清理、最终(重新)标记、并发清除、并发重置。
其中初始标记和重新标记都会导致STW来对根对象进行记录。已经优化为多线程执行。
并发收集问题，即如何在并发收集时，再次产生新的引用链后正确进行回收及对于浮动对象的正确回收。
三色标记法
在并发标记时，通常使用三色标记法。
白色：对象尚未被垃圾回收器访问过，
黑色：对象已经被垃圾回收器访问过，并且所有对象的所有引用都被扫描过，
灰色：已经被垃圾回收器访问过，但至少存在一个引用没有被扫描过。
当且以下两个条件同事满足时，才会出现对象消失问题。
1.赋值器插入了一条或者多条从黑色对象到白色对象的新引用。
2.同时，赋值器删除了全部从灰色对象到该白色对象的直接或间接引用。
增量更新法和原始快照法
在解决并发标记时，正确清理无效对象中，有增量更新法和原始快照法。
cms是采用增量更新发进行的标记。当黑色对象插入了新的引用到白色对象时，会将新插入的引用记录下来，并发扫描结束后，重新再次扫描该黑色对象。
G1采用原始快照法。原始快照不会变动，但是会记录引用删除关系。
参考链接：
头条-why技术，微信公众号-why技术
头条-why技术-微信号why技术-可达性分析法
参数设置:
-Xms JVM启动时分配的堆内存
-Xmm JVM运行过程中最大堆内存
一般两者会设置为一样和最大堆内存一致。当服务启动时，会产生大量对象，可能会导致频繁gc从而启动过慢，所以可以采取预先设置即为最大堆内存，一次性申请完毕。
-Xmn 设置年轻代大小，但是目前一般会采取比例设置，如下
-XX:NewRatio=4 即年轻代大小占总内存大小的五分之一。
-XX:SurvivorRatio=4 设置年轻代中 eden区与survivor的比例，survivor有两个，即eden区占年轻代4/6,单个survivor占1/6。
-XX:MaxTenuringThreshold=15 即在年轻代年龄即经过了多少次回收，再进入老年代。
-XX:MaxPermSize=16m 设置持久代
JDK8 markword实现表：
自旋锁什么时候升级为重量级锁？
为什么有自旋锁还需要重量级锁？
自旋是消耗CPU资源的，如果锁的时间长，或者自旋线程多，CPU会被大量消耗
重量级锁有等待队列，所有拿不到锁的进入等待队列，不需要消耗CPU资源
偏向锁是否一定比自旋锁效率高？
不一定，在明确知道会有多线程竞争的情况下，偏向锁肯定会涉及锁撤销，这时候直接使用自旋锁
JVM启动过程，会有很多线程竞争（明确），所以默认情况启动时不打开偏向锁，过一段儿时间再打开
new - 偏向锁 - 轻量级锁 （无锁, 自旋锁，自适应自旋）- 重量级锁
synchronized优化的过程和markword息息相关
用markword中最低的三位代表锁状态 其中1位是偏向锁位 两位是普通锁位
-
Object o = new Object()
锁 = 0 01 无锁态
注意：如果偏向锁打开，默认是匿名偏向状态 -
o.hashCode()
001 + hashcode00000001 10101101 00110100 00110110 01011001 00000000 00000000 00000000little endian big endian
00000000 00000000 00000000 01011001 00110110 00110100 10101101 00000000
-
默认synchronized(o)
00 -> 轻量级锁
默认情况 偏向锁有个时延，默认是4秒
why? 因为JVM虚拟机自己有一些默认启动的线程，里面有好多sync代码，这些sync代码启动时就知道肯定会有竞争，如果使用偏向锁，就会造成偏向锁不断的进行锁撤销和锁升级的操作，效率较低。-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 -
如果设定上述参数
new Object () - > 101 偏向锁 ->线程ID为0 -> Anonymous BiasedLock
打开偏向锁，new出来的对象，默认就是一个可偏向匿名对象101 -
如果有线程上锁
上偏向锁，指的就是，把markword的线程ID改为自己线程ID的过程
偏向锁不可重偏向 批量偏向 批量撤销 -
如果有线程竞争
撤销偏向锁，升级轻量级锁
线程在自己的线程栈生成LockRecord ，用CAS操作将markword设置为指向自己这个线程的LR的指针，设置成功者得到锁 -
如果竞争加剧
竞争加剧：有线程超过10次自旋， -XX:PreBlockSpin， 或者自旋线程数超过CPU核数的一半， 1.6之后，加入自适应自旋 Adapative Self Spinning ， JVM自己控制
升级重量级锁：-> 向操作系统申请资源，linux mutex , CPU从3级-0级系统调用，线程挂起，进入等待队列，等待操作系统的调度，然后再映射回用户空间
(以上实验环境是JDK11，打开就是偏向锁，而JDK8默认对象头是无锁)
偏向锁默认是打开的，但是有一个时延，如果要观察到偏向锁，应该设定参数
如果计算过对象的hashCode，则对象无法进入偏向状态！
轻量级锁重量级锁的hashCode存在与什么地方？
答案：线程栈中，轻量级锁的LR中，或是代表重量级锁的ObjectMonitor的成员中
关于epoch: (不重要)
批量重偏向与批量撤销渊源：从偏向锁的加锁解锁过程中可看出，当只有一个线程反复进入同步块时，偏向锁带来的性能开销基本可以忽略，但是当有其他线程尝试获得锁时，就需要等到safe point时，再将偏向锁撤销为无锁状态或升级为轻量级，会消耗一定的性能，所以在多线程竞争频繁的情况下，偏向锁不仅不能提高性能，还会导致性能下降。于是，就有了批量重偏向与批量撤销的机制。
原理以class为单位，为每个class维护解决场景批量重偏向（bulk rebias）机制是为了解决：一个线程创建了大量对象并执行了初始的同步操作，后来另一个线程也来将这些对象作为锁对象进行操作，这样会导致大量的偏向锁撤销操作。批量撤销（bulk revoke）机制是为了解决：在明显多线程竞争剧烈的场景下使用偏向锁是不合适的。
一个偏向锁撤销计数器，每一次该class的对象发生偏向撤销操作时，该计数器+1，当这个值达到重偏向阈值（默认20）时，JVM就认为该class的偏向锁有问题，因此会进行批量重偏向。每个class对象会有一个对应的epoch字段，每个处于偏向锁状态对象的Mark Word中也有该字段，其初始值为创建该对象时class中的epoch的值。每次发生批量重偏向时，就将该值+1，同时遍历JVM中所有线程的栈，找到该class所有正处于加锁状态的偏向锁，将其epoch字段改为新值。下次获得锁时，发现当前对象的epoch值和class的epoch不相等，那就算当前已经偏向了其他线程，也不会执行撤销操作，而是直接通过CAS操作将其Mark Word的Thread Id 改成当前线程Id。当达到重偏向阈值后，假设该class计数器继续增长，当其达到批量撤销的阈值后（默认40），JVM就认为该class的使用场景存在多线程竞争，会标记该class为不可偏向，之后，对于该class的锁，直接走轻量级锁的逻辑。
加锁，指的是锁定对象
锁升级的过程
JDK较早的版本 OS的资源 互斥量 用户态 -> 内核态的转换 重量级 效率比较低
现代版本进行了优化
无锁 - 偏向锁 -轻量级锁（自旋锁）-重量级锁
偏向锁 - markword 上记录当前线程指针，下次同一个线程加锁的时候，不需要争用，只需要判断线程指针是否同一个，所以，偏向锁，偏向加锁的第一个线程 。hashCode备份在线程栈上 线程销毁，锁降级为无锁
有争用 - 锁升级为轻量级锁 - 每个线程有自己的LockRecord在自己的线程栈上，用CAS去争用markword的LR的指针，指针指向哪个线程的LR，哪个线程就拥有锁
自旋超过10次，升级为重量级锁 - 如果太多线程自旋 CPU消耗过大，不如升级为重量级锁，进入等待队列（不消耗CPU）-XX:PreBlockSpin
自旋锁在 JDK1.4.2 中引入，使用 -XX:+UseSpinning 来开启。JDK 6 中变为默认开启，并且引入了自适应的自旋锁（适应性自旋锁）。
自适应自旋锁意味着自旋的时间（次数）不再固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，直接阻塞线程，避免浪费处理器资源。
偏向锁由于有锁撤销的过程revoke，会消耗系统资源，所以，在锁争用特别激烈的时候，用偏向锁未必效率高。还不如直接使用轻量级锁。
锁重入
sychronized是可重入锁
重入次数必须记录，因为要解锁几次必须得对应
偏向锁 自旋锁 -> 线程栈 -> LR + 1
重量级锁 -> ? ObjectMonitor字段上
synchronized最底层实现
public class T {
static volatile int i = 0;
public static void n() { i++; }
public static synchronized void m() {}
publics static void main(String[] args) {
for(int j=0; j<1000_000; j++) {
m();
n();
}
}
}
java -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly T
C1 Compile Level 1 (一级优化)
C2 Compile Level 2 (二级优化)
找到m() n()方法的汇编码，会看到 lock comxchg …指令
synchronized vs Lock (CAS)
在高争用 高耗时的环境下synchronized效率更高
在低争用 低耗时的环境下CAS效率更高
synchronized到重量级之后是等待队列（不消耗CPU）
CAS（等待期间消耗CPU）
CAS : lock cmpxchg
Synchronized : lock comxchg
一切以实测为准
锁消除 lock eliminate
public void add(String str1,String str2){
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append(str1).append(str2);
}
我们都知道 StringBuffer 是线程安全的，因为它的关键方法都是被 synchronized 修饰过的，但我们看上面这段代码，我们会发现，sb 这个引用只会在 add 方法中使用，不可能被其它线程引用（因为是局部变量，栈私有），因此 sb 是不可能共享的资源，JVM 会自动消除 StringBuffer 对象内部的锁。
锁粗化 lock coarsening
public String test(String str){
int i = 0;
StringBuffer sb = new StringBuffer():
while(i < 100){
sb.append(str);
i++;
}
return sb.toString():
}
JVM 会检测到这样一连串的操作都对同一个对象加锁（while 循环内 100 次执行 append，没有锁粗化的就要进行 100 次加锁/解锁），此时 JVM 就会将加锁的范围粗化到这一连串的操作的外部（比如 while 虚幻体外），使得这一连串操作只需要加一次锁即可。
锁降级（不重要）
https://www.zhihu.com/question/63859501
其实，只被VMThread访问，降级也就没啥意义了。所以可以简单认为锁降级不存在！
超线程
一个ALU + 两组Registers + PC
参考资料
http://openjdk.java.net/groups/hotspot/docs/HotSpotGlossary.html