JVM的详细讲解
学习目标
- GC
-
- 分代回收
- 回收器实现
- 类加载
- 内存模型
- 性能调优
那什么是GC，GC里面的回收分类有哪些？怎么实现，还有什么内存模型里面还有什么东西？怎么调优性能？
GC
JVM中的GC（Garbage Collection，垃圾回收）是Java语言的一个重要特性，它负责自动管理内存，释放那些不再被使用的对象所占用的内存空间。以下是关于JVM中GC的详细介绍：
一、GC的定义与目的
- 定义：GC即垃圾回收，是指JVM用于释放那些不再被使用的对象所占用的内存。
- 目的：清除不再使用的对象，防止内存泄漏，提高内存利用率。
二、GC的工作原理
- 对象存活判定：
- 引用计数：虽然这种方法简单有效，但存在循环引用的问题，因此在现代JVM中较少使用。
- 可达性分析：JVM使用的主流方法。以根集合（如栈上的局部变量、静态变量等）为起点，通过引用链遍历对象图，所有可达的对象都被视为存活对象，其余则为垃圾对象。
- 垃圾回收算法：
- 标记-清除算法：首先标记出所有需要回收的对象，然后统一回收被标记的对象所占用的内存空间。标记-清除之后会产生大量的内存碎片。
- 复制算法：将内存分为两块，每次只使用其中一块。当这一块内存用完，就将还活着的对象复制到另外一块上面。复制算法不会产生内存碎片，但代价是将可用内存缩小为了原来的一半。现在的商业虚拟机都采用这种算法来回收新生代。
- 标记-整理算法：标记过程与标记-清除算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。这种方法主要用于老年代。
- 分代收集算法：根据对象的生命周期长短，将堆内存划分为几块，不同块采用不同的回收算法。一般是把Java堆分为新生代和老年代，新生代使用复制算法，老年代使用标记-清除或标记-整理算法。
三、GC收集器
JVM提供了多种GC收集器，每种收集器都有其特定的应用场景和优缺点：
- Serial GC：单线程执行GC，适用于单核CPU、新生代空间较小及对暂停时间要求不高的应用。
- Parallel GC：多线程执行GC，适用于多核CPU、对吞吐量有高要求的应用。
- CMS（Concurrent Mark Sweep）GC：一种以最短回收停顿时间为目标的收集器，适用于对响应时间敏感的应用。但它在并发收集时会产生浮动垃圾，且需要预留一定的空间来避免频繁的全堆GC。
- G1（Garbage-First）GC：面向服务端应用的垃圾收集器，它设计用来满足在堆内存不断增大的情况下，减少停顿时间的需求。G1收集器将堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），并优先收集垃圾最多的区域。
四、GC的影响与优化
- GC对应用程序的影响：
- GC的执行会导致应用程序的暂停（Stop-The-World），但现代JVM通过优化算法和收集器，已经大大减少了这种暂停的时间。
- 频繁的GC可能会导致应用程序性能下降，因此需要进行GC调优。
- GC调优：
- 目标：避免由垃圾回收引起程序性能下降。
- 核心：通用Jvm参数的设置、特定垃圾回收器的Jvm参数的设置、解决由频繁的FULLGC引起的程序性能问题。
- 方法：使用监控工具（如jstat、Prometheus+Grafana）、分析GC日志（如使用GC Viewer、GCeasy等工具）、优化JVM参数等。
分代回收
GC（Garbage Collection，垃圾回收）中的分代回收是JVM（Java Virtual Machine）根据对象生命周期长短将堆内存划分为不同区域，并针对不同区域采用不同垃圾回收策略的一种内存管理机制。以下是关于GC中分代回收的详细解释：
一、分代回收的基本概念
在Java应用中，对象的生命周期有长有短。大部分对象生命周期较短，如临时变量，而部分对象生命周期较长，如全局变量、缓存对象等。直接对整个堆进行垃圾回收效率较低，而分代策略通过将堆划分为不同区域（年轻代、老年代和元空间），根据对象的生命周期选择合适的垃圾回收算法，极大地提升了回收效率。
二、分代回收的内存区域
-
年轻代（Young Generation）：
- 存储新创建的对象，大部分对象在此分配。
- 回收频率高，称为“Minor GC”。
- 进一步细分为Eden区、两个Survivor区（一个用于存储存活对象，另一个为空以备复制）。
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老年代（Old Generation）：
- 存储从年轻代晋升的对象或直接在老年代分配的大对象。
- 回收频率低，称为“Major GC”或“Full GC”（但需注意，“Full GC”通常还包括方法区的回收，而“Major GC”更专注于老年代的回收）。
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元空间（Metaspace）：
- 从Java 8开始取代永久代（PermGen），用于存储类的元数据。
三、分代回收的垃圾收集类型
- 新生代收集（Minor GC/Young GC）：
- 只是新生代的垃圾收集。
- 当新生代空间不足时触发，如Eden区满。
- 采用复制算法，将存活对象从一个Survivor区复制到另一个Survivor区（或晋升到老年代），并清理原内存。
- 老年代收集（Major GC/Old GC）：
- 只是老年代的垃圾收集。
- 当老年代空间不足时触发，可能会先尝试触发Minor GC。
- 采用标记-清除算法或标记-整理算法。
- 混合收集（Mixed GC）：
- 收集整个新生代以及部分老年代的垃圾。
- 目前只有G1 GC具有这种行为。
- 整堆收集（Full GC）：
- 收集整个Java堆（包括年轻代和老年代）和方法区的垃圾。
- 触发机制多样，如老年代空间不足、方法区空间不足等。
四、分代回收的优势
- 提高回收效率：通过分代管理，JVM可以针对不同生命周期的对象采用不同的回收策略，从而减少不必要的内存扫描和复制操作。
- 减少停顿时间：分代回收策略使得大部分对象的回收都在新生代进行，而新生代的回收速度通常较快，从而减少了应用程序的停顿时间。
- 优化内存使用：通过晋升机制，将长期存活的对象从新生代晋升到老年代，避免了新生代空间的浪费。
回收器实现
回收器实现通常指的是在垃圾回收机制中，具体如何实现垃圾收集器的功能和策略。在Java虚拟机（JVM）中，垃圾回收器是内存回收的具体实现，其设计目标是自动检测和回收不再使用的对象所占用的内存空间。以下是关于回收器实现的一些关键要点：
一、垃圾回收器概述
JVM规范中对垃圾收集器应该如何实现并没有任何规定，因此不同的厂商、不同的虚拟机所提供的垃圾收集器都可能会有很大的差别。常见的垃圾回收器包括Serial收集器、ParNew收集器、Parallel Scavenge（PS）收集器、Serial Old收集器、Parallel Old（PO）收集器、CMS（Concurrent Mark-Sweep）收集器和G1（Garbage-First）收集器等。
二、垃圾回收器的实现原理
垃圾回收器通过追踪和分析对象的引用关系，判断哪些对象是可达的，哪些是不可达的，从而进行内存回收。在Java程序执行过程中，对象的生命周期由其是否被引用决定。当对象不再被任何引用指向时，它就成为可回收的垃圾。
三、垃圾回收算法
垃圾回收器通常使用以下几种算法来实现内存回收：
- 标记-清除算法：这是最基本的垃圾回收算法。它首先标记所有可达的对象，然后清除未标记的对象。这种算法的优点是实现简单，但缺点是效率不高，且清理出来的空闲内存是不连续的，会产生内存碎片。
- 复制算法：该算法将活着的内存空间分为两块，每次只使用其中一块。在垃圾回收时，将正在使用的内存中的存活对象复制到未被使用的内存块中，之后清除正在使用的内存块中的所有对象，交换两个内存的角色，最后完成垃圾回收。这种算法的优点是保证空间的连续性，不会出现碎片问题，但缺点是需要两倍的内存空间。
- 标记-整理算法：该算法结合了标记和整理两个阶段。在标记阶段，它标记所有可达的对象；在整理阶段，它将所有的存活对象压缩到内存的一端，按顺序排放，之后清理边界外所有的空间。这种算法的优点是消除了内存碎片，但缺点是移动对象的同时如果对象被其他对象引用，则还需要调整引用的地址。
四、常见的垃圾回收器及其特点
- Serial收集器：这是最古老、最稳定的收集器。它使用单个线程进行垃圾收集工作，在进行垃圾回收时会暂停所有用户线程（Stop The World）。Serial收集器简单高效，适合单处理器环境和小型应用。
- ParNew收集器：这是Serial收集器的多线程版本，也被称为“并行年轻代收集器”。它可以与CMS收集器配合使用，适用于多处理器环境。
- Parallel Scavenge收集器：这是一种多线程并行的垃圾收集器，用于新生代和老年代的回收。它关注的是吞吐量（即CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值），力求高效率利用CPU。
- CMS收集器：CMS（Concurrent Mark-Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。它采用并发标记和并发清除的方式，减少了垃圾回收的停顿时间，适用于需要低延迟的应用。但CMS收集器对CPU资源敏感，无法处理浮动垃圾，且会产生大量空间碎片。
- G1收集器：G1（Garbage-First）收集器是一种面向服务端应用的垃圾收集器。它引入了分而治之的思想，把内存分为一个一个的小块（Region）。G1提供了两种GC模式：Young GC和Mixed GC。它能够更好地管理大内存和多处理器环境，具有更可控的停顿时间和高效的并发能力。
五、选择合适的垃圾回收器
不同的垃圾回收器适用于不同的场景和需求。开发人员可以根据应用的特点选择合适的垃圾回收器来优化性能。例如，对于需要高吞吐量的应用，可以选择Parallel Scavenge收集器；对于需要低延迟的应用，可以选择CMS或G1收集器。
类加载
JVM（Java虚拟机）的类加载机制是Java语言运行时的关键组成部分。下面是对JVM类加载机制的详细讲解：
一、类加载机制概述
类加载机制负责将Java类的字节码文件（*.class文件）加载到内存中，并进行一系列的处理，最终使类能够被虚拟机使用。这个过程包括加载、链接（验证、准备、解析）、初始化等阶段。
二、类加载过程
- 加载（Loading）
- 通过类的完全限定名称（包名+类名）获取定义该类的*.class字节码文件的二进制字节流。
- 将该字节流表示的静态存储结构转换为Metaspace元空间区的运行时存储结构。
- 在内存中生成一个代表该类的Class对象，作为元空间区中该类各种数据的访问入口。
加载阶段完成后，*.class字节码文件的类信息数据就会存储在元空间，同时在JVM虚拟机堆区生成一个该类的Class对象。
- 链接（Linking）
- 验证（Verification）：确保*.class字节码文件中包含的信息符合当前虚拟机的要求，且不会危害虚拟机的安全。这包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。
- 准备（Preparation）：为类变量分配内存并设置初始值（一般为0值，常量除外）。实例变量不在此阶段分配内存。
- 解析（Resolution）：将常量池的符号引用替换为直接引用。
- 初始化（Initialization）
- 真正开始执行类中定义的Java程序代码，是虚拟机执行类构造器()方法的过程。
- 使用（Using）
- 程序对类进行实例化、调用其方法等操作。
- 卸载（Unloading）
- 当类不再被使用时，由垃圾回收器进行卸载。这通常发生在程序正常执行结束、程序执行中遇到了异常或错误而异常终止，或者操作系统出现错误或强制结束程序而导致JVM虚拟机进程终止时。
三、类加载器
- 类加载器的类型
- 根类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载Java的核心类，如java.lang.、java.util.等。这些类位于JDK中的jre/lib/rt.jar或类似的系统路径下。它由JVM提供并且是不可见的，无法直接实例化。
- 扩展类加载器（Extensions ClassLoader）：负责加载JRE的扩展目录（lib/ext）或者由java.ext.dirs系统属性指定的目录中的JAR包的类。
- 系统类加载器（System ClassLoader，也称为应用类加载器Application ClassLoader）：负责在JVM启动时加载来自Java命令的-classpath选项、java.class.path系统属性，或者CLASSPATH环境变量所指定的JAR包和类路径。
- 自定义类加载器：继承ClassLoader类并重写loadClass方法。程序可以通过ClassLoader的静态方法getSystemClassLoader()来获取系统类加载器，如果没有特别指定，用户自定义的类加载器都以此系统类加载器作为父加载器。
- 双亲委派模型
- 当一个类加载器需要加载一个类时，它首先会检查这个类是否已经被加载过。
- 如果没有加载过，它会将加载请求委派给它的父类加载器去完成。
- 如果父类加载器也无法加载这个类，那么子类加载器才会尝试自己去加载这个类。
这种机制确保了Java核心类库的安全性，因为任何自定义的类加载器都无法加载一个与Java核心类库中类名相同的类。
四、类加载性能优化
- 减少类的数量：通过精简代码和移除不必要的依赖，减少类的数量可以降低类加载的复杂度。
- 精简类路径：使用工具分析依赖，如jdeps工具，可以帮助检查哪些库是不必要的，从而精简类路径。
- 懒加载：延迟加载那些非核心或较少使用的类，可以显著减少初始加载时的内存占用和提升应用的启动效率。
- 自定义类加载器：根据需求自定义类加载行为，可以更加灵活地控制类的加载时机、加载顺序以及加载来源。
内存模型
JVM（Java Virtual Machine）的内存模型是Java运行时环境的重要组成部分，它负责管理Java程序在运行时所需的内存。以下是对JVM内存模型的详细讲解：
一、JVM内存模型概述
JVM内存模型主要包括以下几个部分：
- 方法区（Method Area）：也被称为永久代（在JDK 8之前）或元空间（在JDK 8及之后）。它存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。当方法区无法满足内存分配需求时，会抛出OutOfMemoryError异常。
- 堆（Heap）：是JVM中内存最大的一块区域，所有线程共享。它用于存储几乎所有的对象实例和数组。堆内存的管理由垃圾收集器负责。堆内存可以进一步细分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。新生代又包括Eden区和两个Survivor区（From和To）。
- 栈（Stack）：包括虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）和本地方法栈（Native Method Stack）。每个线程都有一个独立的栈，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。栈内存是线程私有的，生命周期与线程相同。当线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量时，会抛出StackOverflowError异常。
- 程序计数器（Program Counter Register）：是线程私有的，用于保存当前线程正在执行的字节码指令的地址。它是JVM中唯一没有规定OutOfMemoryError情况的区域。
二、各部分详细讲解
- 方法区
- 存储内容：类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等。
- 内存管理：由JVM自动管理，不需要程序员手动释放。
- 异常处理：当方法区内存不足时，会抛出OutOfMemoryError异常。
- 堆
- 新生代：包括Eden区和两个Survivor区。新创建的对象通常首先在Eden区分配内存。当Eden区内存不足时，会触发Minor GC（年轻代垃圾收集），将存活的对象复制到其中一个Survivor区，并清空Eden区。随着对象存活时间的增加，它们可能会从Survivor区移动到老年代。
- 老年代：存储生命周期较长的对象。当老年代内存不足时，会触发Full GC（整个堆的垃圾收集），尝试回收内存。如果Full GC无法释放足够的空间，也会抛出OutOfMemoryError异常。
- 内存分配策略：JVM采用分代收集算法，根据对象的存活时间将内存划分为不同的代，并分别采用不同的垃圾收集策略。
- 栈
- 虚拟机栈：每个线程都有一个独立的虚拟机栈，用于存储该线程执行Java方法时的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
- 本地方法栈：为虚拟机调用Native方法服务。当Java程序调用Native方法时，会进入本地方法栈。
- 栈内存管理：栈内存由JVM自动管理，当线程结束时，栈内存会自动释放。
- 程序计数器
- 作用：保存当前线程正在执行的字节码指令的地址。它是线程私有的，每个线程都有一个独立的程序计数器。
- 工作原理：当执行一条指令时，程序计数器会指向下一条需要执行的指令的地址。线程切换后，程序计数器会记录当前线程执行的字节码指令的地址，以便线程再次分配到CPU时继续执行。
三、内存溢出与垃圾回收
- 内存溢出（OutOfMemoryError）
- 原因：应用系统中存在无法回收的内存或使用的内存过多，导致程序运行所需的内存大于JVM能提供的最大内存。
- 解决方法：增加JVM的堆内存大小、优化代码以减少内存使用、检查并修复内存泄漏等。
- 垃圾回收（Garbage Collection）
- 作用：自动回收不再使用的对象占用的内存空间，以确保JVM能够持续为新的对象分配内存。
- 垃圾回收算法：包括标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法等。不同的垃圾回收器可能会采用不同的算法或算法组合。
- 垃圾回收器：JVM提供了多种垃圾回收器供选择，如Serial GC、Parallel GC、CMS GC、G1 GC等。不同的垃圾回收器具有不同的特点和适用场景。
性能调优
JVM（Java Virtual Machine）的性能调优是一个复杂且细致的过程，涉及多个方面的调整和优化。以下是对JVM性能调优的详细讲解：
一、JVM性能调优的目标
JVM性能调优的主要目标是提高应用的吞吐量、降低延迟、减少内存占用以及增强应用的稳定性。这通常涉及到对JVM内存管理、垃圾回收器选择、JIT编译器优化等方面的调整。
二、何时进行JVM性能调优
在以下情况下，需要考虑进行JVM性能调优：
- Heap内存（老年代）持续上涨达到设置的最大内存值。
- Full GC次数频繁，导致应用停顿时间过长。
- GC停顿时间过长（通常超过1秒），影响用户体验。
- 应用出现OutOfMemory等内存异常。
- 系统吞吐量与响应性能不高或下降。
三、JVM性能调优的基本原则
在进行JVM性能调优时，需要遵循以下基本原则：
- 大多数的Java应用不需要进行JVM优化，除非遇到性能瓶颈。
- 大多数导致GC问题的原因是代码层面的问题，因此应优先进行代码层面的优化。
- 上线之前，应先考虑将机器的JVM参数设置到最优。
- 减少创建对象的数量，减少使用全局变量和大对象。
- JVM优化是不得已的手段，优先进行架构调优和代码调优。
四、JVM性能调优的步骤
JVM性能调优通常包括以下步骤：
- 分析GC日志及dump文件：通过GC日志和dump文件分析应用的内存使用情况和垃圾回收行为，确定是否存在性能瓶颈。
- 确定JVM调优量化目标：根据应用的需求和实际情况，确定JVM调优的量化目标，如Heap内存使用率、Full GC次数、GC停顿时间等。
- 确定JVM调优参数：根据历史JVM参数和调整目标，确定需要调整的JVM参数。
- 依次调优内存、延迟、吞吐量等指标：按照内存、延迟、吞吐量的顺序进行优化，每个步骤都是进行下一步的基础。
- 对比观察调优前后的差异：通过监控工具观察调优前后的性能差异，确认是否达到调优目标。
- 不断的分析和调整：调优是一个迭代的过程，需要不断分析和调整参数，直到找到合适的JVM参数配置。
五、JVM性能调优的关键参数
以下是一些关键的JVM性能调优参数：
- 堆内存参数：
-Xms：设置JVM启动时分配的堆内存大小（初始堆内存）。-Xmx：设置JVM可用的最大堆内存。-Xmn：设置年轻代大小，包括Eden区与两个Survivor区。
- 新生代参数：
-XX:NewRatio：设置年轻代（包括Eden和两个Survivor区）与老年代的比值。-XX:SurvivorRatio：设置年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值。-XX:MaxTenuringThreshold：设置垃圾最大年龄，即对象在年轻代存活多少次GC后晋升到老年代。
- 元空间参数（JDK 8及以后）：
-XX:MetaspaceSize：设置初始元空间大小。-XX:MaxMetaspaceSize：设置最大元空间大小。
- 垃圾回收器参数：
-XX:+UseSerialGC：使用Serial垃圾收集器。-XX:+UseParallelGC：使用Parallel垃圾收集器，适用于多核处理器上的高吞吐量应用。-XX:+UseConcMarkSweepGC（或-XX:+UseCMSGC）：使用CMS垃圾收集器，适用于对延迟要求较高的应用。-XX:+UseG1GC：使用G1垃圾收集器，适用于大堆内存和多核处理器的场景，可以提供平衡的吞吐量和较低的延迟。
- JIT编译器参数：
-XX:+TieredCompilation：启用分层编译，可以优化启动时间和峰值性能。
其他JIT编译器参数如编译阈值等，也可以根据实际情况进行调整。
其他参数：-XX:MaxGCPauseMillis：设置目标GC暂停时间，G1垃圾收集器可以使用此参数。-XX:ParallelGCThreads：设置并行垃圾收集线程数，通常设置为CPU核心数。-XX:ConcGCThreads：设置G1垃圾回收器的并发线程数。
六、JVM性能调优的工具
在进行JVM性能调优时，可以使用以下工具：
- VisualVM：Oracle提供的图形化工具，能够实时监控JVM的运行状态，提供内存监控、线程分析、垃圾回收查看等功能。
- JProfiler：一款功能全面的Java性能分析工具，支持CPU分析、内存分析、线程分析等。
- JConsole：JDK自带的监控和管理工具，可以监控JVM的内存、线程、类加载等信息。
- Prometheus + Grafana：开源的监控系统和时序数据库组合，可以实现对JVM性能的可视化监控和分析。
七、JVM性能调优的注意事项
- 明确调优目标：在进行JVM调优之前，需要明确调优的目标和需求，以便选择合适的调优方法和工具。
- 逐步调整：JVM调优是一个逐步调整的过程，不要一次性修改多个参数或进行大范围的调整。
- 结合实际情况：不同的应用场景和硬件环境可能对JVM的性能有不同的影响。因此，在进行JVM调优时，需要结合实际情况进行分析和调整。
- 备份原始配置：在进行JVM调优之前，建议备份原始的JVM配置信息。这样，在调优过程中如果出现问题或需要回滚到原始配置时，可以方便地进行操作。