掌握JVM：从基础到高级，一篇全面解读与实战指南

导读：什么是JVM? JVM涉及哪些知识点？我们需要掌握到什么程度？

JDK & JRE & JVM

讲JVM那就不得不提JDK和JRE了。

JDK: java development kit 翻译：java开发工具包

JRE: java runtime environment 翻译：java运行时环境

JDK是包含JRE的。简单来讲，我们运行一个java程序，只需要有JRE就够了。

但是对于日常开发，由于需要用到一些工具、底层库等，所以通常需要安装JDK。

那么什么是JVM呢？直译过来就是：java虚拟机。

为什么需要JVM?

我们知道，java是一个编译型语言。也就是说，我们编写完java代码程序后，要想运行，首先需要将java代码编译成JVM能够识别的class。然后类加载器再将class加载至JVM中，class最终其实会被转化成00 01 这样的机器码在操作系统上运行。[个人理解]

类的生命周期

一个类从编写到运行，经历了什么？

加载 > 验证 > 准备 > 解析 > 初始化 > 使用 > 卸载

加载 [查找和导入class文件]

• 通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
• 将该字节流代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
• 在Java堆中生成一个java.lang.Class对象，作为对方法区中的这些数据的访问入口

验证 [保证被加载类的正确性]

• 文件格式
• 元数据
• 字节码
• 符号引用

准备

• 为类的静态变量分配内存，并初始化为默认值

解析

• 符号引用转换为直接引用

初始化

• 对类的静态变量、静态代码块执行初始化操作

类加载器

上面讲了类需要先加载。那么加载是由谁来加载的呢？

答案是：类加载器

类加载器分类

类加载器分为以下几种：

Bootstrap Classloader

• 负责加载$JAVA_HOME中 jre/lib/rt.jar 里所有的class或Xbootclassoath选项指定的jar包。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

• 负责加载classpath中指定的jar包及 Djava.class.path 所指定目录下的类和jar包。

Customer Classloader

• 通过java.lang.ClassLoader的子类自定义加载class，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

用一张图总结，如下：

加载原则

检查一个类是否已被加载，从Custom ClassLoader到Bootstrap ClassLoader逐层往上检查，只要某个ClassLoader加载过此类，就视为已被加载，保证此类只被一个ClassLoader加载过一次。

加载的顺序是自顶向下开始加载的。

双亲委派机制

定义： 如果一个类加载器在接到加载类的请求时，它首先不会自己尝试去加载这个类，而是把

这个请求任务委托给父类加载器去完成，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就

成功返回；只有父类加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载。

优势： Java类随着加载它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。比如，Java中的

Object类，它存放在rt.jar之中,无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型

最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object在各种类加载环境中都是同一个类。如果不采用

双亲委派模型，那么由各个类加载器自己取加载的话，那么系统中会存在多种不同的Object

类。

破坏： 可以继承ClassLoader类，然后重写其中的loadClass方法，其他方式大家可以自己了解

拓展一下。

运行时数据区

运行时数据区是 java程序运行过程的载体。怎么说呢？程序运行肯定需要内存，运行时数据区就是这里的内存。

当然，对于内存的使用需要合理的划分，运行时数据区的内存划分如下：

方法区

存放class信息、常量、静态变量等信息

堆
内存最大的一块。主要存放java对象

虚拟机栈

线程执行的区域，保存着线程中方法的执行状态。为线程私有。

线程中每个方法即为栈中的一个栈帧。

调用一个方法，就会往栈中压入一个栈帧，调用完成后再弹出

本地方法栈

native方法执行的区域

程序计数器

Java虚拟机中的多线程是通过线程切换轮流执行的，同一时刻，一个cpu只会处理一条线层中的一个指令。为了保证线层切换回来后能正确的接着之前执行的位置继续执行，每个线层需要有一个独立的计数器，记录这上次Java虚拟机执行的字节码的位置。

Java对象的内存布局

我们知道，类加载的时候，是在堆内生成一个java.lang.Class对象，指向方法区中的类信息。

那么，我们程序中new出的对象，怎么知道它属于哪个Class呢？

一个对象在内存中包含3个部分：

对象头、实例数据、对齐填充

对象头

mark world[8字节] 一系列的标记位，包括：分代年龄、锁标志、哈希码

class pointer[8字节] 指向对象对应class的元数据的内存地址

数组长度[4字节] 数组对象持有

实例数据

对象的属性占用空间大小，具体大小由属性决定

对齐填充

填充字节，保证对象大小为8的整数倍

内存模型

堆分为old区和young区，young区又分为Eden区和Suvior区(s0 + s1)。

为什么堆要划分为老年代和新生代？

程序运行过程中，会不断的new新对象，new出来的对象都会存储在内存中。当内存满了后，就要进行垃圾回收。而对整个堆进行垃圾回收是非常耗性能的一个事，最直观的影响就是，导致业务线程暂停（stw=stop the world）。而程序运行中产生的对象大多有一个特点，就是生命周期非常短，大部分就是方法执行完后，就用不上了。

经过上面的分析，这里把堆分为老年代和新生代其实非常合理。

老年代： 垃圾回收16次仍然存活的对象，这种对象一般业务频繁使用。

新生代： 新分配的对象，首先进入新生代，随着一次次的垃圾回收，对象的年龄不断增长，最终存活下来的对象会进入老年代。

一般老年代和新生代的大小比例为：4:1。新生代的垃圾回收，每次只回收1/4的内存，相对full gc来说，效率很高。

新生代为什么分为eden、s0、s1?

新生代发生gc的频率很高，为了尽可能的提升gc效率不影响业务线程，我们需要高效率的垃圾回收方案。

而新生代的垃圾回收一般都采用 复制算法。 复制算法就意味着需要两块内存，也就产生了s0和s1。

垃圾收集

垃圾对象

在垃圾收集前，我们得先确定什么对象是垃圾。

引用计数法

对于一个对象来说，如果程序中持有该对象的引用，该对象就不是垃圾。

缺点：存在循环引用

比如对象A的属性a=B，对象B的属性b=A，那么，这两个对象就永远无法回收。

可达性分析

从GC ROOT对象开始往下寻找，看某个对象是否可达

什么对象可以作为GC ROOT对象？

那些不能被回收的对象，包括：

垃圾收集器、常量、静态变量、虚拟机栈&本地方法栈的本地变量表（也就是运行中的方法的变量引用的对象）

垃圾收集算法

标记清除算法

1. 标记
2. 清除

缺点：会产生内存碎片

复制算法

1. 内存分为两块
2. 标记
3. 清除
4. 将剩余对象复制到另一块内存中

缺点：内存利用率低

标记整理算法

1. 标记
2. 清除
3. 将剩余对象移动到内存一端

分代收集算法

老年代：标记整理或标记清除算法

新生代：复制算法

垃圾收集器

垃圾收集器是垃圾收集算法的具体实现。

垃圾收集器主要有如下几种：

新生代： Serial、ParNew、Parallel Scavenge

老年代： Serial Old、Parallel Old、CMS

新生代&老年代： G1

下面分别对每种垃圾收集器进行介绍。

Serial

作用于新生代的单线程垃圾收集器。采用复制算法。

ParNew

作用于新生代的多线程垃圾收集器。采用复制算法。

Parallel Scavenge

作用于新生代的多线程垃圾收集器。采用复制算法。和ParNew类似，更注重于吞吐量。

Serial Old

作用于老年代的单线程垃圾收集器。采用标记整理算法。

Parallel Old

作用于老年代的多线程垃圾收集器。采用标记整理算法。

CMS

作用于老年代的多线程垃圾收集器。采用标记清除算法。

缺点：标记清除算法产生内存碎片

G1

作用于新生代和老年代的垃圾收集器。采用标记整理算法。

G1收集器对堆内存做了重新划分，划分为一个个的Region区域。没有了所谓的新生代和老年代。

吞吐量&停顿时间

垃圾回收过程中，会暂停用户线层（stw:stop the world）。对于线上业务来说，如果业务线层暂停导致响应慢，这对用户来说是很不好的用户体验。所以，评判一个垃圾收集器的好坏，主要关注这两个指标。

停顿时间=垃圾回收时，业务暂停的时间

吞吐量=业务运行时间/(业务运行时间+垃圾回收时间)

我是这样理解的：

停顿时间越短就越适合需要和用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户体验；

高吞吐量则可以高效地利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，主要适合在后台运算而不需要太多交互的任

务。

如何选择合适的垃圾收集器

官网 ：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/collectors.html#sthref28

• 优先调整堆的大小让服务器自己来选择

• 如果内存小于100M，使用串行收集器

• 如果是单核，并且没有停顿时间要求，使用串行或JVM自己选

• 如果允许停顿时间超过1秒，选择并行或JVM自己选

• 如果响应时间最重要，并且不能超过1秒，使用并发收集器

• 对于G1收集

  • （1）50%以上的堆被存活对象占用
  • （2）对象分配和晋升的速度变化非常大
  • （3）垃圾回收时间比较长

开启垃圾收集器

1. 串行

-XX:+UseSerialGC

-XX:+UseSerialOldGC

2. 并行(吞吐量优先)：

-XX:+UseParallelGC

-XX:+UseParallelOldGC

3. 并发收集器(响应时间优先)

-XX:+UseConcMarkSweepGC

-XX:+UseG1GC

JVM实战

JVM参数

-XX参数

使用得最多的参数类型

非标准化参数，相对不稳定，主要用于JVM调优和Debug

• Boolean类型

格式：-XX:[±]

+ 或 - 表示启用或者禁用name属性

比如：-XX:+UseConcMarkSweepGC表示启用CMS类型的垃圾回收器，-XX:+UseG1GC表示启用G1类型的垃圾回器

• 非Boolean类型

格式：-XX=表示name属性的值是value

比如：-XX:MaxGCPauseMillis=500

其他参数

-Xms1000等价于-XX:InitialHeapSize=1000

-Xmx1000等价于-XX:MaxHeapSize=1000

-Xss100等价于-XX:ThreadStackSize=100

查看参数

java -XX:+PrintFlagsFinal -version > flags.txt

值得注意的是"=“表示默认值，”:="表示被用户或JVM修改后的值。

常用参数含义

常用命令

jps

查看java进程

jps 或 jps -l

jinfo

1. 查看和调整JVM配置参数

jinfo -flag name PID 查看PIDjava进程name属性配置的值。示例如下：

jinfo -flag MaxHeapSize PID

jinfo -flag UseG1GC PID

2. 修改参数

jinfo -flag [+|-] PID

3. 查看曾经赋值过的参数

jinfo -flags PID

jstat

查看JVM性能统计信息

1. 查看类装载信息

jstat -class PID 1000 10 查看某个java进程的类装载信息，每1000毫秒输出一次，共输出10次

2. 查看垃圾收集信息

jstat -gc PID 1000 10

jstack

查看线层堆栈信息

jstack PID

jmap

生成堆转储快照

1. 打印堆内存相关信息

jmap -heap PID

2. dump堆内存相关信息

jmap -dump:format=b,file=heap.hprof PID

常用工具

工具的使用，需要平时积累

监控工具

jconsole、jprofile、Arthas

堆分析工具

jprofile、MAT

gc日志分析工具

gceasy、grviewer

JVM调优

其实jvm我们一般只需要设置堆大小、指定垃圾收集器、内存溢出时自动dump堆转储快照、记录gc日志这几步即可，其它交给JVM自动做。示例：

JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -XX:+UseG1GC -Xmx8G -Xms6G -XX:-OmitStackTraceInFastThrow -Dthin.root=/data/app/titan-java-lib/deploy/ -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/data/titan-logs/java/ms-srv/dump -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:/data/titan-logs/java/ms-srv/gc_%t_%p.log"

引申：强、软、弱、虚引用

1. 强引用

new出来的对象都是强引用，特点：垃圾回收时，即使内存不足outofmemory，也不回收对象

2. 软引用

new SoftRefrense(obj)，特点：垃圾回收时，只有在内存不足时，才回收此对象

3. 弱引用

new WeakRefrense(obj)， 特点：只要发生垃圾回收，不管内存够不够，都回收此对象

4. 虚引用

虚引用引用的对象，不论何时，get到的都是null。

那么，它存在的意义是什么呢？

在回收时做一些后续处理的动作，相当于可以对垃圾回收动作增加一个扩展点。

总结

本篇文章介绍了JVM相关的大部分知识，限于能力有限，目前只能总结到此了。对于实战部分，我只简单的列举了一些工具，因为工具的使用只有经过自己动手实践，才能深入理解，剩下的就交给大家自己摸索了！