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JVM學(xué)習(xí)筆記（一）------基本結(jié)構(gòu)

從Java平臺的邏輯結(jié)構(gòu)上來看，我們可以從下圖來了解JVM：

從上圖能清晰看到Java平臺包含的各個邏輯模塊，也能了解到JDK與JRE的區(qū)別

對于JVM自身的物理結(jié)構(gòu)，我們可以從下圖鳥瞰一下：

對于JVM的學(xué)習(xí)，在我看來這么幾個部分最重要：

• Java代碼編譯和執(zhí)行的整個過程
• JVM內(nèi)存管理及垃圾回收機制

下面將這兩個部分進行詳細(xì)學(xué)習(xí)

-=-=-=-=-=-=-第二部分-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-

JVM學(xué)習(xí)筆記（二）------Java代碼編譯和執(zhí)行的整個過程

Java代碼編譯是由Java源碼編譯器來完成，流程圖如下所示：

Java字節(jié)碼的執(zhí)行是由JVM執(zhí)行引擎來完成，流程圖如下所示：

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Java代碼編譯和執(zhí)行的整個過程包含了以下三個重要的機制：

• Java源碼編譯機制
• 類加載機制
• 類執(zhí)行機制

Java源碼編譯機制

Java源碼編譯由以下三個過程組成：

• 分析和輸入到符號表
• 注解處理
• 語義分析和生成class文件

流程圖如下所示：

最后生成的class文件由以下部分組成：

• 結(jié)構(gòu)信息。包括class文件格式版本號及各部分的數(shù)量與大小的信息
• 元數(shù)據(jù)。對應(yīng)于Java源碼中聲明與常量的信息。包含類/繼承的超類/實現(xiàn)的接口的聲明信息、域與方法聲明信息和常量池
• 方法信息。對應(yīng)Java源碼中語句和表達式對應(yīng)的信息。包含字節(jié)碼、異常處理器表、求值棧與局部變量區(qū)大小、求值棧的類型記錄、調(diào)試符號信息

類加載機制

JVM的類加載是通過ClassLoader及其子類來完成的，類的層次關(guān)系和加載順序可以由下圖來描述：

1）Bootstrap ClassLoader

負(fù)責(zé)加載$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++實現(xiàn)，不是ClassLoader子類

2）Extension ClassLoader

負(fù)責(zé)加載java平臺中擴展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目錄下的jar包

3）App ClassLoader

負(fù)責(zé)記載classpath中指定的jar包及目錄中class

4）Custom ClassLoader

屬于應(yīng)用程序根據(jù)自身需要自定義的ClassLoader，如tomcat、jboss都會根據(jù)j2ee規(guī)范自行實現(xiàn)ClassLoader

加載過程中會先檢查類是否被已加載，檢查順序是自底向上，從Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐層檢查，只要某個classloader已加載就視為已加載此類，保證此類只所有ClassLoader加載一次。而加載的順序是自頂向下，也就是由上層來逐層嘗試加載此類。

類執(zhí)行機制

JVM是基于棧的體系結(jié)構(gòu)來執(zhí)行class字節(jié)碼的。線程創(chuàng)建后，都會產(chǎn)生程序計數(shù)器（PC）和棧（Stack），程序計數(shù)器存放下一條要執(zhí)行的指令在方法內(nèi)的偏移量，棧中存放一個個棧幀，每個棧幀對應(yīng)著每個方法的每次調(diào)用，而棧幀又是有局部變量區(qū)和操作數(shù)棧兩部分組成，局部變量區(qū)用于存放方法中的局部變量和參數(shù)，操作數(shù)棧中用于存放方法執(zhí)行過程中產(chǎn)生的中間結(jié)果。棧的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

-=-=-=-=-=-=-第三部分-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-

JVM學(xué)習(xí)筆記（三）------內(nèi)存管理和垃圾回收

JVM內(nèi)存組成結(jié)構(gòu)

JVM棧由堆、棧、本地方法棧、方法區(qū)等部分組成，結(jié)構(gòu)圖如下所示：

1）堆

所有通過new創(chuàng)建的對象的內(nèi)存都在堆中分配，其大小可以通過-Xmx和-Xms來控制。堆被劃分為新生代和舊生代，新生代又被進一步劃分為Eden和Survivor區(qū)，最后Survivor由From Space和To Space組成，結(jié)構(gòu)圖如下所示：

• 新生代。新建的對象都是用新生代分配內(nèi)存，Eden空間不足的時候，會把存活的對象轉(zhuǎn)移到Survivor中，新生代大小可以由-Xmn來控制，也可以用-XX:SurvivorRatio來控制Eden和Survivor的比例
• 舊生代。用于存放新生代中經(jīng)過多次垃圾回收仍然存活的對象

2）棧

每個線程執(zhí)行每個方法的時候都會在棧中申請一個棧幀，每個棧幀包括局部變量區(qū)和操作數(shù)棧，用于存放此次方法調(diào)用過程中的臨時變量、參數(shù)和中間結(jié)果

3）本地方法棧

用于支持native方法的執(zhí)行，存儲了每個native方法調(diào)用的狀態(tài)

4）方法區(qū)

存放了要加載的類信息、靜態(tài)變量、final類型的常量、屬性和方法信息。JVM用持久代（Permanet Generation）來存放方法區(qū)，可通過-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize來指定最小值和最大值

垃圾回收機制

JVM分別對新生代和舊生代采用不同的垃圾回收機制

新生代的GC：

新生代通常存活時間較短，因此基于Copying算法來進行回收，所謂Copying算法就是掃描出存活的對象，并復(fù)制到一塊新的完全未使用的空間中，對應(yīng)于新生代，就是在Eden和From Space或To Space之間copy。新生代采用空閑指針的方式來控制GC觸發(fā)，指針保持最后一個分配的對象在新生代區(qū)間的位置，當(dāng)有新的對象要分配內(nèi)存時，用于檢查空間是否足夠，不夠就觸發(fā)GC。當(dāng)連續(xù)分配對象時，對象會逐漸從eden到survivor，最后到舊生代，

用java visualVM來查看，能明顯觀察到新生代滿了后，會把對象轉(zhuǎn)移到舊生代，然后清空繼續(xù)裝載，當(dāng)舊生代也滿了后，就會報outofmemory的異常，如下圖所示：

在執(zhí)行機制上JVM提供了串行GC（Serial GC）、并行回收GC（Parallel Scavenge）和并行GC（ParNew）

1）串行GC

在整個掃描和復(fù)制過程采用單線程的方式來進行，適用于單CPU、新生代空間較小及對暫停時間要求不是非常高的應(yīng)用上，是client級別默認(rèn)的GC方式，可以通過-XX:+UseSerialGC來強制指定

2）并行回收GC

在整個掃描和復(fù)制過程采用多線程的方式來進行，適用于多CPU、對暫停時間要求較短的應(yīng)用上，是server級別默認(rèn)采用的GC方式，可用-XX:+UseParallelGC來強制指定，用-XX:ParallelGCThreads=4來指定線程數(shù)

3）并行GC

與舊生代的并發(fā)GC配合使用

舊生代的GC：

舊生代與新生代不同，對象存活的時間比較長，比較穩(wěn)定，因此采用標(biāo)記（Mark）算法來進行回收，所謂標(biāo)記就是掃描出存活的對象，然后再進行回收未被標(biāo)記的對象，回收后對用空出的空間要么進行合并，要么標(biāo)記出來便于下次進行分配，總之就是要減少內(nèi)存碎片帶來的效率損耗。在執(zhí)行機制上JVM提供了串行GC（Serial MSC）、并行GC（parallel MSC）和并發(fā)GC（CMS），具體算法細(xì)節(jié)還有待進一步深入研究。

以上各種GC機制是需要組合使用的，指定方式由下表所示：

指定方式	新生代GC方式	舊生代GC方式
-XX:+UseSerialGC	串行GC	串行GC
-XX:+UseParallelGC	并行回收GC	并行GC
-XX:+UseConeMarkSweepGC	并行GC	并發(fā)GC
-XX:+UseParNewGC	并行GC	串行GC
-XX:+UseParallelOldGC	并行回收GC	并行GC
-XX:+ UseConeMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC	串行GC	并發(fā)GC
不支持的組合	1、-XX:+UseParNewGC -XX:+UseParallelOldGC 2、-XX:+UseParNewGC -XX:+UseSerialGC

-=-=-=-=-=-=-第四部分-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-

JVM學(xué)習(xí)筆記（四）------內(nèi)存調(diào)優(yōu)

首先需要注意的是在對JVM內(nèi)存調(diào)優(yōu)的時候不能只看操作系統(tǒng)級別Java進程所占用的內(nèi)存，這個數(shù)值不能準(zhǔn)確的反應(yīng)堆內(nèi)存的真實占用情況，因為GC過后這個值是不會變化的，因此內(nèi)存調(diào)優(yōu)的時候要更多地使用JDK提供的內(nèi)存查看工具，比如JConsole和Java VisualVM。

對JVM內(nèi)存的系統(tǒng)級的調(diào)優(yōu)主要的目的是減少GC的頻率和Full GC的次數(shù)，過多的GC和Full GC是會占用很多的系統(tǒng)資源（主要是CPU），影響系統(tǒng)的吞吐量。特別要關(guān)注Full GC，因為它會對整個堆進行整理，導(dǎo)致Full GC一般由于以下幾種情況：

• 舊生代空間不足
  調(diào)優(yōu)時盡量讓對象在新生代GC時被回收、讓對象在新生代多存活一段時間和不要創(chuàng)建過大的對象及數(shù)組避免直接在舊生代創(chuàng)建對象?
• Pemanet Generation空間不足
  增大Perm Gen空間，避免太多靜態(tài)對象?
• 統(tǒng)計得到的GC后晉升到舊生代的平均大小大于舊生代剩余空間
  控制好新生代和舊生代的比例?
• System.gc()被顯示調(diào)用
  垃圾回收不要手動觸發(fā)，盡量依靠JVM自身的機制?

調(diào)優(yōu)手段主要是通過控制堆內(nèi)存的各個部分的比例和GC策略來實現(xiàn)，下面來看看各部分比例不良設(shè)置會導(dǎo)致什么后果

1）新生代設(shè)置過小

一是新生代GC次數(shù)非常頻繁，增大系統(tǒng)消耗；二是導(dǎo)致大對象直接進入舊生代，占據(jù)了舊生代剩余空間，誘發(fā)Full GC

2）新生代設(shè)置過大

一是新生代設(shè)置過大會導(dǎo)致舊生代過小（堆總量一定），從而誘發(fā)Full GC；二是新生代GC耗時大幅度增加

一般說來新生代占整個堆1/3比較合適

3）Survivor設(shè)置過小

導(dǎo)致對象從eden直接到達舊生代，降低了在新生代的存活時間

4）Survivor設(shè)置過大

導(dǎo)致eden過小，增加了GC頻率

另外，通過-XX:MaxTenuringThreshold=n來控制新生代存活時間，盡量讓對象在新生代被回收

由上一篇博文JVM學(xué)習(xí)筆記（三）------內(nèi)存管理和垃圾回收可知新生代和舊生代都有多種GC策略和組合搭配，選擇這些策略對于我們這些開發(fā)人員是個難題，JVM提供兩種較為簡單的GC策略的設(shè)置方式

1）吞吐量優(yōu)先

JVM以吞吐量為指標(biāo)，自行選擇相應(yīng)的GC策略及控制新生代與舊生代的大小比例，來達到吞吐量指標(biāo)。這個值可由-XX:GCTimeRatio=n來設(shè)置

2）暫停時間優(yōu)先

JVM以暫停時間為指標(biāo)，自行選擇相應(yīng)的GC策略及控制新生代與舊生代的大小比例，盡量保證每次GC造成的應(yīng)用停止時間都在指定的數(shù)值范圍內(nèi)完成。這個值可由-XX:MaxGCPauseRatio=n來設(shè)置

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最后匯總一下JVM常見配置

堆設(shè)置

• -Xms:初始堆大小
• -Xmx:最大堆大小
• -XX:NewSize=n:設(shè)置年輕代大小
• -XX:NewRatio=n:設(shè)置年輕代和年老代的比值。如:為3，表示年輕代與年老代比值為1：3，年輕代占整個年輕代年老代和的1/4
• -XX:SurvivorRatio=n:年輕代中Eden區(qū)與兩個Survivor區(qū)的比值。注意Survivor區(qū)有兩個。如：3，表示Eden：Survivor=3：2，一個Survivor區(qū)占整個年輕代的1/5
• -XX:MaxPermSize=n:設(shè)置持久代大小

收集器設(shè)置

• -XX:+UseSerialGC:設(shè)置串行收集器
• -XX:+UseParallelGC:設(shè)置并行收集器
• -XX:+UseParalledlOldGC:設(shè)置并行年老代收集器
• -XX:+UseConcMarkSweepGC:設(shè)置并發(fā)收集器

垃圾回收統(tǒng)計信息

• -XX:+PrintGC
• -XX:+PrintGCDetails
• -XX:+PrintGCTimeStamps
• -Xloggc:filename

并行收集器設(shè)置

• -XX:ParallelGCThreads=n:設(shè)置并行收集器收集時使用的CPU數(shù)。并行收集線程數(shù)。
• -XX:MaxGCPauseMillis=n:設(shè)置并行收集最大暫停時間
• -XX:GCTimeRatio=n:設(shè)置垃圾回收時間占程序運行時間的百分比。公式為1/(1+n)

并發(fā)收集器設(shè)置

• -XX:+CMSIncrementalMode:設(shè)置為增量模式。適用于單CPU情況。
• -XX:ParallelGCThreads=n:設(shè)置并發(fā)收集器年輕代收集方式為并行收集時，使用的CPU數(shù)。并行收集線程數(shù)。

附：

本系列學(xué)習(xí)資料主要來自博文http://rednaxelafx.javaeye.com/blog/656951里提到的PPT和《分布式Java應(yīng)用》里有關(guān)JVM的章節(jié)，推薦大家繼續(xù)深入學(xué)習(xí)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的JVM讲解的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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