Java虚拟机总结

JVM体系四大块:

• 类的加载
• JVM内存结构
• GC算法 垃圾回收
• GC分析 性能调优
• 执行引擎

JVM架构图

jvm.arch

一、类的加载机制

类的加载
类的加载，将class文件读入方法区，然后在堆中创建java.lang.Class对象。类的加载最终是生成堆区中的Class对象。Class对象封装类在方法区中的数据结构，并提供访问方法区中的数据结构的接口。

类的生命周期
类的生命周期包括：加载、连接、初始化、使用和卸载，其中前三步是类的加载过程。

class.lifecycle

• 加载，查找并加载类的二进制数据，在Java堆中创建Class类的对象。
• 链接，
  • 验证，文件格式、元数据、字节码、符号引用的验证。
  • 准备，为类的静态变量分配内存，并初始化为默认值。
  • 解析，把类中的符号引用转换为直接引用。
• 初始化，为类的静态变量赋予手动设置的初始值。
• 使用，new出对象，在程序中使用。
• 卸载，执行垃圾回收。

几个小问题

1、JVM初始化步骤 ？ 2、类初始化时机 ？3、哪几种情况下，Java虚拟机将结束生命周期？

答案参考 jvm系列(一):java类的加载机制

类加载器

启动类加载器：Bootstrap ClassLoader，扩展类加载器：Extension ClassLoader，应用程序类加载器：Application ClassLoader。

类加载机制
全盘负责，当一个类加载器负责加载某个Class时，该Class所依赖的和引用的其他Class也由该类加载器负责载入，除非显示使用另外一个类加载器来载入。
父类委托，先让父类加载器尝试加载该类，只有在父类加载器无法加载时才从自己的类路径中加载该类。
缓存机制，缓存机制保证所有加载过的Class都会被缓存。当程序中需要使用某个Class时，类加载器先从缓存区寻找该Class，只有缓存区中不存在，系统才会读取该类对应的二进制数据，并将其转换成Class对象存入缓存区。这就是为什么修改了Class后，必须重启JVM，程序的修改才会生效。

二、JVM内存结构

jvm内存结构

• Java堆（Heap），只存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里。
• 方法区（Method Area），存储已被加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。
• 程序计数器（Program Counter Register），当前线程所执行的字节码的行号指示器。
• JVM栈（JVM Stacks），其生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：方法被执行的时候同时会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。方法从被调用到执行完成的过程，就对应着栈帧在栈中从入栈到出栈的过程。
• 本地方法栈（Native Method Stacks），与虚拟机栈类似，虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（字节码）服务，而本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。

对象分配规则

• 对象优先分配在Eden区，如果Eden区没有足够空间时，执行minor GC。
• 大对象直接进入老年代。可以避免在eden区和两个survivor区之间发生大量的内存拷贝（新生代采用复制算法收集内存）。
• 长期存活的对象进入老年代。虚拟机为对象定义了一个年龄计数器，如果对象经过了1次minor GC那么对象会进入survivor区，之后每经过一次minor GC那么对象的年龄加1，直到达到阀值，对象进入老年区。
• 动态判断对象的年龄。如果survivor区中相同年龄的所有对象大小的总和大于survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象直接进入老年代。
• 空间分配担保。每次进行minor GC时，JVM计算survivor区移至老年区的对象的平均大小，如果这个值大于老年区的剩余值则进行一次full GC。如果小于检查HandlePromotionFailure参数值，则只进行minor GC，否则进行Full GC。

三、GC算法 垃圾回收

1、对象存活判断方式

• 引用计数：每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时减1，计数为0时可以回收。此方法简单，但无法解决对象循环引用的问题。
• 可达性分析：从GC roots向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的，不可达对象。
  GC roots包括：虚拟机栈中引用的对象。本地方法栈中JNI引用的对象。 方法区中类静态属性、常量引用的对象。

2、GC算法

• 标记 -清除（Mark-Sweep）算法，分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后回收所有被标记的对象。
• 复制算法（Copying），将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活的对象复制到另外一块上，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。
• 标记-整理算法，标记过程与“标记-清除”算法一样，但后续步骤是让所有存活的对象向一端移动，然后清理掉端边界以外的内存。
• 分代收集算法（Generational Collection），把堆分为新生代和老年代，根据各年代的特点采用适当的收集算法。（**常用）
• 分区

3、垃圾回收器

• Serial回收器，是最古老，最稳定以及效率高的收集器，可能会产生较长的停顿，只能用一个线程回收。
• ParNew回收器，ParNew收集器是Serial收集器的多线程版本。
• Parallel Scavenge回收器，类似ParNew收集器，Parallel收集器更关注系统的吞吐量。
• CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器，以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。
• G1(Garbage-First)收集器，是面向服务器的垃圾收集器，主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器。以极高概率满足GC停顿时间的同时，还具备高吞吐量。

三、GC分析 性能调优

1、GC日志分析

[GC [: -> , secs] -> , secs] [Times: user=secs sys=secs, real=secs]

GC收集器的名称
新生代在GC前占用的内存
新生代在GC后占用的内存
新生代局部收集时jvm暂停处理的时间
JVM Heap 在GC前占用的内存
JVM Heap 在GC后占用的内存
GC过程中jvm暂停处理的总时间
用户时间
系统时间
实际时间

4.231: [GC 4.231: [DefNew: 4928K->512K(4928K), 0.0044047 secs] 6835K->3468K(15872K), 0.0045291secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

4.445: [Full GC (System) 4.445: [Tenured: 2956K->3043K(10944K), 0.1869806 secs] 4034K->3043K(15872K), [Perm : 3400K->3400K(12288K)], 0.1870847secs] [Times: user=0.05 sys=0.00, real=0.19 secs]

最前面的数字 4.231 和 4.445 代表虚拟机启动以来的秒数。
接下来的 [DefNew , [Tenured , [Perm 表示 GC 发生的区域，区域的名称与使用的 GC 收集器相关。 Serial 收集器中新生代名为 "Default New Generation"，显示的名字为 "[DefNew"。ParNew收集器显示的是 "[ParNew"， “Parallel New Generation”。 Parallel Scavenge 收集器新生代名为 "PSYoungGen"。年老代和永久代名称也都由收集器决定。
方括号内部显示的 “4928K->512K(4928K)” 表示 “GC 前该区域已使用容量 -> 垃圾回收后该区域已使用容量 (该区域内存总容量) ”。
再往后的 “0.0044047 secs” 表示该区域GC所用时间，单位是秒。
再往后的 “6835K->3468K(15872K)” 表示 “GC 前Java堆已使用容量 -> GC后Java堆已使用容量 （Java堆总容量）”。
再往后的 “0.0045291 secs” 是Java堆GC所用的总时间。
最后的 “[Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]” 分别代表用户态消耗的CPU时间、内核态消耗的CPU时间和操作从开始到结束所经过的墙钟时间。
墙钟时间包括各种非运算的等待耗时，如IO等待、线程阻塞。CPU时间不包括等待时间，当系统有多核时，多线程操作会叠加这些CPU时间，所以user或sys时间会超过real时间。

2、调优命令

JDK监控和故障处理命令

• jps，显示指定系统内所有的HotSpot虚拟机进程。
• jstat，用于监视虚拟机运行时状态信息，可以显示出虚拟机进程中的类装载、内存、垃圾收集、JIT编译等运行数据。
• jmap，生成heap dump文件。
• jhat，与jmap搭配使用，分析jmap生成的dump，jhat内置了一个微型的HTTP/HTML服务器，生成dump的分析结果后，可以在浏览器中查看。
• jstack，生成java虚拟机当前时刻的线程快照。
• jinfo，实时查看和调整虚拟机运行参数。

3、调优工具

常用调优工具分为两类，jdk自带监控工具：jconsole和jvisualvm；第三方有：MAT(Memory Analyzer Tool)。

• jconsole，是从java5开始，JDK自带的java监控和管理控制台，用于对JVM中内存，线程和类等的监控。
• jvisualvm，jdk自带全能工具，可以分析内存快照、线程快照；监控内存变化、GC变化等。
• MAT，Memory Analyzer Tool，基于Eclipse的内存分析工具，是一个快速、功能丰富的Java heap分析工具，它可以帮助我们查找内存泄漏和减少内存消耗。

四、执行引擎

分配给运行时数据区的字节码将由执行引擎执行，执行引擎读取字节码并逐个执行。
(1) 解释器：解释器更快地解释字节码，但执行缓慢。解释器的缺点是当一个方法被调用多次时，每次都需要一个新的解释。

(2) JIT编译器：JIT编译器消除了解释器的缺点。执行引擎将在转换字节码时使用解释器的帮助，但是当它发现重复的代码时，将使用JIT编译器，编译整个字节码并将其更改为本地代码。这个本地代码将直接用于重复的方法调用，这提高了系统的性能。JIT的构成组件为：

• 中间代码生成器（Intermediate Code Generator）：生成中间代码。
• 代码优化器（Code Optimizer）：优化上面生成的中间代码。
• 目标代码生成器（Target Code Generator）：生成机器代码或本地代码。
• 分析器（Profiler）：查找热点，即该方法是否被多次调用。

(3) 垃圾收集器(Garbage Collector)：收集和删除未引用的对象。可以通过调用“System.gc（）”触发垃圾收集，但不保证立即执行。

Java本机接口（JNI）：JNI与本机方法库进行交互，并提供执行引擎所需的本机库。
本地方法库（Native Method Libraries）：它是执行引擎所需的本机库的集合。

参考

jvm系列(一):java类的加载机制
jvm系列(二):JVM内存结构
jvm系列(三):GC算法 垃圾收集器
jvm系列(四):jvm调优-命令篇
jvm系列(七):jvm调优-工具篇
http://www.ityouknow.com/
如何合理的规划一次jvm性能调优