JVM干货

以下是本人通过不同文章总结的JVM的干货内容，只拿干货的部分展示出来，希望所帮助。
其中很多是引用，见谅。

JVM结构

四方面组成：Java编程语言、Java类文件格式、Java虚拟机和Java应用程序接口(Java API)。

运行期环境代表着Java平台，开发人员编写Java代码(.java文件)，然后将之编译成字节码(.class文件)，再然后字节码被装入内存，一旦字节码进入虚拟机，它就会被解释器解释执行，或者是被即时代码发生器有选择的转换成机器码执行。
JVM在它的生存周期中有一个明确的任务，那就是运行Java程序，因此当Java程序启动的时候，就产生JVM的一个实例；当程序运行结束的时候，该实例也跟着消失了。 在Java平台的结构中, 可以看出，Java虚拟机(JVM) 处在核心的位置，是程序与底层操作系统和硬件无关的关键。它的下方是移植接口，移植接口由两部分组成：适配器和Java操作系统, 其中依赖于平台的部分称为适配器；JVM 通过移植接口在具体的平台和操作系统上实现；在JVM 的上方是Java的基本类库和扩展类库以及它们的API， 利用Java API编写的应用程序(application) 和小程序(Java applet) 可以在任何Java平台上运行而无需考虑底层平台, 就是因为有Java虚拟机(JVM)实现了程序与操作系统的分离，从而实现了Java 的平台无关性。
Java源文件，通过编译器，能够生产相应的.Class文件，也就是字节码文件；而字节码文件又通过Java虚拟机中的解释器，编译成特定机器上的机器码 。
① Java源文件—->编译器—->字节码文件
② 字节码文件—->JVM—->机器码
(1) Class Loader类加载器
负责加载 .class文件，class文件在文件开头有特定的文件标示，并且ClassLoader负责class文件的加载等，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。
① 定位和导入二进制class文件
② 验证导入类的正确性
③ 为类分配初始化内存
④ 帮助解析符号引用.
(2) Native Interface本地接口:
具体作法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载native libraies
(3) Execution Engine 执行引擎：执行包在装载类的方法中的指令，也就是方法。
(4) Runtime data area 运行数据区:

(1) Native Method Stack本地方法栈
它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载native libraies。
(2) PC Register程序计数器
每个线程都有一个程序计算器，就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（下一个将要执行的指令代码），由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不记。
(3) Method Area方法区
方法区是被所有线程共享，所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在此定义。简单说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，此区域属于共享区间。
静态变量+常量+类信息+运行时常量池存在方法区中，实例变量存在堆内存中。
(4) Stack 栈
① 栈是什么
栈也叫栈内存，主管Java程序的运行，是在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就Over，生命周期和线程一致，是线程私有的。
基本类型的变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分配。
② 栈存储什么？
栈帧中主要保存3类数据：
本地变量（Local Variables）：输入参数和输出参数以及方法内的变量；
栈操作（Operand Stack）：记录出栈、入栈的操作；
栈帧数据（Frame Data）：包括类文件、方法等等。
遵循“先进后出”/“后进先出”原则。
(5) Heap 堆
堆这块区域是JVM中最大的，应用的对象和数据都是存在这个区域，这块区域也是线程共享的，也是 gc 主要的回收区，一个 JVM 实例只存在一个堆类存，堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后，需要把类、方法、常变量放到堆内存中，以方便执行器执行，堆内存分为三部分：

① 新生区
新生区是类的诞生、成长、消亡的区域，一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。
新生区又分为两部分：伊甸区（Eden space）和幸存者区（Survivor pace），所有的类都是在伊甸区被new出来的。幸存区有两个：0区（Survivor 0 space）和1区（Survivor 1 space）。
当伊甸园的空间用完时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园进行垃圾回收（Minor GC）,将伊甸园中的剩余对象移动到幸存0区。若幸存0区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到1区。那如果1去也满了呢？再移动到养老区。若养老区也满了，那么这个时候将产生Major GC（FullGCC），进行养老区的内存清理。若养老区执行Full GC 之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常“OutOfMemoryError”。
如果出现java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space异常，说明Java虚拟机的堆内存不够。原因有二：
a.Java虚拟机的堆内存设置不够，可以通过参数-Xms、-Xmx来调整。
b.代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）。
② 养老区
养老区用于保存从新生区筛选出来的 JAVA 对象，一般池对象都在这个区域活跃。
③ 永久区
永久存储区是一个常驻内存区域，用于存放JDK自身所携带的 Class,Interface 的元数据，也就是说它存储的是运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭 JVM 才会释放此区域所占用的内存。
如果出现java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space，说明是Java虚拟机对永久代Perm内存设置不够。原因有二：
a. 程序启动需要加载大量的第三方jar包。例如：在一个Tomcat下部署了太多的应用。
b. 大量动态反射生成的类不断被加载，最终导致Perm区被占满。

JVM调优

序：基本回收算法
1. 引用计数（Reference Counting）
比较古老的回收算法。原理是此对象有一个引用，即增加一个计数，删除一个引用则减少一个计数。垃圾回收时，只用收集计数为0的对象。此算法最致命的是无法处理循环引用的问题。
2. 标记-清除（Mark-Sweep）
内存中的对象构成一棵树，当有效的内存被耗尽的时候，程序就会停止，此算法执行分两阶段。第一阶段从引用根节点开始标记所有被引用的对象，第二阶段遍历整个堆，把未标记的对象清除。此算法需要暂停整个应用，同时，会产生内存碎片。
缺点：递归效率低性能低；释放空间不连续容易导致内存碎片；会停止整个程序运行；

3. 复制（Copying）
此算法把内存空间划为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。垃圾回收时，遍历当前使用区域，把正在使用中的对象复制到另外一个区域中。次算法每次只处理正在使用中的对象，因此复制成本比较小，同时复制过去以后还能进行相应的内存整理，不过出现“碎片”问题。当然，此算法的缺点也是很明显的，就是需要两倍内存空间。

4. 标记-整理（Mark-Compact）
此算法结合了 “标记-清除”和“复制”两个算法的优点。也是分两阶段，第一阶段从根节点开始标记所有被引用对象，第二阶段遍历整个堆，清除未标记对象，并且把存活对象 “压缩”到堆的其中一块，按顺序排放。此算法避免了“标记-清除”的碎片问题，同时也避免了“复制”算法的空间问题。

5. 增量收集（Incremental Collecting）
实施垃圾回收算法，即：在应用进行的同时进行垃圾回收。不知道什么原因JDK5.0中的收集器没有使用这种算法的。
6. 分代（Generational Collecting）
1， 分代GC在新生代的算法：采用了GC的复制算法，速度快，因为新生代一般是新对象，都是瞬态的用了可能很快被释放的对象。
2， 分代GC在年老代的算法 标记／整理算法，GC后会执行压缩，整理到一个连续的空间，这样就维护着下一次分配对象的指针，下一次对象分配就可以采用碰撞指针技术，将新对象分配在第一个空闲的区域。

1. 堆大小设置
   JVM 中最大堆大小有三方面限制：
   相关操作系统的数据模型（32-bt还是64-bit）限制；
   系统的可用虚拟内存限制；
   系统的可用物理内存限制。
   32位系统下，一般限制在1.5G~2G；64为操作系统对内存无限制。

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k
-Xmx3550m：设置JVM最大可用内存为3550M。
-Xms3550m：最小可用内存，设置JVM促使内存为3550m。此值可以设置与-Xmx相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。
-Xmn2g：设置年轻代大小为2G。整个堆大小=年轻代大小 + 年老代大小 + 持久代大小。持久代一般固定大小为64m，所以增大年轻代后，将会减小年老代大小。Sun官方推荐Xmn配置为整个堆的3/8。
-Xss128k：设置每个线程的堆栈大小。JDK5.0以后每个线程堆栈大小为1M，以前每个线程堆栈大小为256K。更具应用的线程所需内存大小进行调整。在相同物理内存下，减小这个值能生成更多的线程。但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的，不能无限生成，经验值在3000~5000左右。

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xss128k -XX:NewRatio=4 -XX:SurvivorRatio=4 -XX:MaxPermSize=16m -XX:MaxTenuringThreshold=0
-XX:NewRatio=4:设置年轻代（包括Eden和两个Survivor区）与年老代的比值（除去持久代）。设置为4，则年轻代与年老代所占比值为1：4，年轻代占整个堆栈的1/5
-XX:SurvivorRatio=4：设置年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值。设置为4，则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:4，一个Survivor区占整个年轻代的1/6
-XX:MaxPermSize=16m:设置持久代大小为16m。
-XX:MaxTenuringThreshold=0：设置垃圾最大年龄。如果设置为0的话，则年轻代对象不经过Survivor区，直接进入年老代。对于年老代比较多的应用，可以提高效率。如果将此值设置为一个较大值，则年轻代对象会在Survivor区进行多次复制，这样可以增加对象再年轻代的存活时间，增加在年轻代即被回收的概论。

1. 回收器选择
   JVM给了三种选择：串行收集器、并行收集器、并发收集器。

   • 串行处理器：
     使用单线程处理所有垃圾回收工作，因为无需多线程交互，所以效率比较高。但是，也无法使用多处理器的优势，所以此收集器适合单处理器机器。当然，此收集器也可以用在小数据量（100M左右）情况下的多处理器机器上。
     –适用情况：数据量比较小（100M左右）；单处理器下并且对响应时间无要求的应用。
     –缺点：只能用于小型应用
     -XX:+UseSerialGC:设置串行收集器

   • 并行处理器：
     对年轻代进行并行垃圾回收
     –适用情况：“对吞吐量有高要求”，多CPU、对应用响应时间无要求的中、大型应用。举例：后台处理、科学计算。
     –缺点：应用响应时间可能较长
     java -Xmx3800m -Xms3800m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:ParallelGCThreads=20 -XX:+UseParallelOldGC
     -XX:+UseParallelGC：选择垃圾收集器为并行收集器，此配置仅对年轻代有效。即上述配置下，年轻代使用并发收集，而年老代仍旧使用串行收集。
     -XX:+UseParallelOldGC：配置年老代垃圾收集方式为并行收集。JDK6.0支持对年老代并行收集。
     -XX:ParallelGCThreads=20：配置并行收集器的线程数，即：同时多少个线程一起进行垃圾回收。此值最好配置与处理器数目相等。
     -XX:MaxGCPauseMillis=100:设置每次年轻代垃圾回收的最长时间，如果无法满足此时间，JVM会自动调整年轻代大小，以满足此值。
     -XX:+UseAdaptiveSizePolicy：设置此选项后，并行收集器会自动选择年轻代区大小和相应的Survivor区比例，以达到目标系统规定的最低相应时间或者收集频率等，此值建议使用并行收集器时，一直打开。

   • 并发处理器：
     –适用情况：“对响应时间有高要求”，多CPU、对应用响应时间有较高要求的中、大型应用。 –空间换时间。举例：Web服务器/应用服务器、电信交换、集成开发环境。
     java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:ParallelGCThreads=20 -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC
     -XX:+UseConcMarkSweepGC：设置年老代为并发收集。
     -XX:+UseParNewGC:设置年轻代为并行收集。
     java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=5 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
     -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：由于并发收集器不对内存空间进行压缩、整理，所以运行一段时间以后会产生“碎片”，使得运行效率降低。此值设置运行多少次GC以后对内存空间进行压缩、整理。
     -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：打开对年老代的压缩。可能会影响性能，但是可以消除碎片

2. 辅助信息

   • -XX:+PrintGC
     输出形式：
     [GC 118250K->113543K(130112K), 0.0094143 secs]
     [Full GC 121376K->10414K(130112K), 0.0650971 secs]
   • -XX:+PrintGCDetails
     [GC [DefNew: 8614K->781K(9088K), 0.0123035 secs] 118250K->113543K(130112K), 0.0124633 secs]
     [GC [DefNew: 8614K->8614K(9088K), 0.0000665 secs][Tenured: 112761K->10414K(121024K), 0.0433488 secs] 121376K->10414K(130112K), 0.0436268 secs]
   • -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGC：PrintGCTimeStamps可与上面两个混合使用
     输出形式：11.851: [GC 98328K->93620K(130112K), 0.0082960 secs]
   • -XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime:打印每次垃圾回收前，程序未中断的执行时间。可与上面混合使用
     输出形式：Application time: 0.5291524 seconds
   • -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime：打印垃圾回收期间程序暂停的时间。可与上面混合使用
     输出形式：Total time for which application threads were stopped: 0.0468229 seconds
   • -XX:PrintHeapAtGC:打印GC前后的详细堆栈信息

3. 常见配置汇总

4. 堆设置
   
   • -Xms:初始堆大小
   • -Xmx:最大堆大小
   • -XX:NewSize=n:设置年轻代大小
   • -XX:NewRatio=n:设置年轻代和年老代的比值。如:为3，表示年轻代与年老代比值为1：3，年轻代占整个年轻代年老代和的1/4
   • -XX:SurvivorRatio=n:年轻代中Eden区与两个Survivor区的比值。注意Survivor区有两个。如：3，表示Eden：Survivor=3：2，一个Survivor区占整个年轻代的1/5
   • -XX:MaxPermSize=n:设置持久代大小
5. 收集器设置
   
   • -XX:+UseSerialGC:设置串行收集器
   • -XX:+UseParallelGC:设置并行收集器
   • -XX:+UseParalledlOldGC:设置并行年老代收集器
   • -XX:+UseConcMarkSweepGC:设置并发收集器
6. 垃圾回收统计信息
   
   • -XX:+PrintGC
   • -XX:+PrintGCDetails
   • -XX:+PrintGCTimeStamps
   • -Xloggc:filename
7. 并行收集器设置
   
   • -XX:ParallelGCThreads=n:设置并行收集器收集时使用的CPU数。并行收集线程数。
   • -XX:MaxGCPauseMillis=n:设置并行收集最大暂停时间
   • -XX:GCTimeRatio=n:设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比。公式为1/(1+n)
8. 并发收集器设置
   
   • -XX:+CMSIncrementalMode:设置为增量模式。适用于单CPU情况。
   • -XX:ParallelGCThreads=n:设置并发收集器年轻代收集方式为并行收集时，使用的CPU数。并行收集线程数。

四、调优总结
1. 年轻代大小选择
* 响应时间优先的应用：尽可能设大，直到接近系统的最低响应时间限制（根据实际情况选择）。在此种情况下，年轻代收集发生的频率也是最小的。同时，减少到达年老代的对象。
* 吞吐量优先的应用：尽可能的设置大，可能到达Gbit的程度。因为对响应时间没有要求，垃圾收集可以并行进行，一般适合8CPU以上的应用。
2. 年老代大小选择
* 响应时间优先的应用：年老代使用并发收集器，所以其大小需要小心设置，一般要考虑并发会话率和会话持续时间等一些参数。如果堆设置小了，可以会造成内存碎片、高回收频率以及应用暂停而使用传统的标记清除方式；如果堆大了，则需要较长的收集时间。最优化的方案，一般需要参考以下数据获得：
o 并发垃圾收集信息
o 持久代并发收集次数
o 传统GC信息
o 花在年轻代和年老代回收上的时间比例
减少年轻代和年老代花费的时间，一般会提高应用的效率
* 吞吐量优先的应用：一般吞吐量优先的应用都有一个很大的年轻代和一个较小的年老代。原因是，这样可以尽可能回收掉大部分短期对象，减少中期的对象，而年老代尽存放长期存活对象。
3. 较小堆引起的碎片问题
因为年老代的并发收集器使用标记、清除算法，所以不会对堆进行压缩。当收集器回收时，他会把相邻的空间进行合并，这样可以分配给较大的对象。但是，当堆空间较小时，运行一段时间以后，就会出现“碎片”，如果并发收集器找不到足够的空间，那么并发收集器将会停止，然后使用传统的标记、清除方式进行回收。如果出现“碎片”，可能需要进行如下配置：
* -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：使用并发收集器时，开启对年老代的压缩。
* -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0：上面配置开启的情况下，这里设置多少次Full GC后，对年老代进行压缩

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JVM被分为三个主要的子系统

（1）类加载器子系统（2）运行时数据区（3）执行引擎
1. 类加载器子系统

Java的动态类加载功能是由类加载器子系统处理。当它在运行时（不是编译时）首次引用一个类时，它加载、链接并初始化该类文件。

1.1 加载

类由此组件加载。启动类加载器 (BootStrap class Loader)、扩展类加载器(Extension class Loader)和应用程序类加载器(Application class Loader) 这三种类加载器帮助完成类的加载。
1. 启动类加载器 – 负责从启动类路径中加载类，无非就是rt.jar。这个加载器会被赋予最高优先级。
2. 扩展类加载器 – 负责加载ext 目录(jre\lib)内的类.
3. 应用程序类加载器 – 负责加载应用程序级别类路径，涉及到路径的环境变量等etc.
1.2 链接
1. 校验 – 字节码校验器会校验生成的字节码是否正确，如果校验失败，我们会得到校验错误。
2. 准备 – 分配内存并初始化默认值给所有的静态变量。
3. 解析 – 所有符号内存引用被方法区(Method Area)的原始引用所替代。
1.3 初始化

这是类加载的最后阶段，这里所有的静态变量会被赋初始值, 并且静态块将被执行。
3. 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段执行。
3.1 解释器:

解释器能快速的解释字节码，但执行却很慢。 解释器的缺点就是,当一个方法被调用多次，每次都需要重新解释。
编译器
JIT编译器消除了解释器的缺点。执行引擎利用解释器转换字节码，但如果是重复的代码则使用JIT编译器将全部字节码编译成本机代码。本机代码将直接用于重复的方法调用，这提高了系统的性能。
a. 中间代码生成器 – 生成中间代码
b. 代码优化器 – 负责优化上面生成的中间代码
c. 目标代码生成器 – 负责生成机器代码或本机代码
d. 探测器(Profiler) – 一个特殊的组件，负责寻找被多次调用的方法。
3.3 垃圾回收器:

收集并删除未引用的对象。可以通过调用”System.gc()”来触发垃圾回收，但并不保证会确实进行垃圾回收。JVM的垃圾回收只收集哪些由new关键字创建的对象。所以，如果不是用new创建的对象，你可以使用finalize函数来执行清理。
Java本地接口 (JNI): JNI 会与本地方法库进行交互并提供执行引擎所需的本地库。
本地方法库:它是一个执行引擎所需的本地库的集合。