JMV的学习

一.JVM学习

1.1JVM运行机制的最重要的三点：加载（类加载器，classloader） 、内存管理（包含GC）、执行。

如果再加上JDK所作的把java文件编译为二进制class文件的步骤，就组成了Java代码的执行机制三部曲：

编译–>加载–>执行

2.1 Java编译机制

Java编译机制不属于JVM，但是JVM运行class文件，首先需要JDK把java源码编译成class文件。

JVM规范规定了class文件的格式，但并未规定java源码如何编译成class文件，以及如何执行class文件。

各厂商的JDK编译器各不相同，比如Sun JDK中的编译器是javac.exe。

Java 源码编译由以下三个过程组成：

• 分析和输入到符号表
• 注解处理
• 语义分析和生成class文件

2.1.1 分析和输入到符号表(Parse and Enter)：

Parse过程主要做词法分析和语法分析。

Enter过程是将符号输入到符号表。

  2.1.2 注解处理(Annotation Processing)：

根据注解产生一些新的代码，或进行一些特殊检查。

2.1.3 语义分析和生成class文件(Analyse and Generate)：

语义分析包括声明检查、类型检查、语句到达检查、exception检查、变量赋值检查、解除语法、泛型转换等。

采用后续遍历语法树生成class文件。

class文件包含了如下信息：

结构信息：包括格式版本号及各部分的数量与大小的信息。

元数据：主要是声明和常量的信息。

方法信息：主要是语句和表达式的信息。

2.2 类加载机制

类加载机制是指class文件加载到JVM，并形成class对象的机制。类的加载又分为三个步骤：

装载–>链接–>初始化

2.2.1 装载(Load)

装载过程负责找到二进制代码并加载到JVM中。

对于接口或非数组型的类，由ClassLoader直接加载；

对于数组型的类，数组类由JVM直接创建，而数组中的元素类型还是由ClassLoader加载。

2.2.2 链接(Link)

链接过程又分为：校验，准备，和解析。

校验格式遵循JVM规范。

准备过程会初始化类中的静态变量，并将其值赋为默认值。（特别注意这一点:静态变量初始化是在Initialize阶段之前完成的）

最后对类中所有的属性、方法进行验证。

装载和链接过程完成后，二进制字节码就转换成了class对象。此时还未初始化。

2.2.3 初始化(Initialize)

初始化即执行类的静态初始化代码、静态属性初始化、实例初始块代码、构造方法等。（但静态初始化和实例/构造方法初始化不是同时进行的，一个是类加载完后进行，一个是实例化的时候进行）

初始化是在初次主动使用对象前执行，在以下4种情况下初始化过程会被触发执行：

1） 调用了new；

2） 反射执行newInstance()方法；

3） 子类调用了初始化；

4） JVM启动过程中指定的初始化类。

关于静态变量、静态初始化块、实例初始化块、构造方法的初始化顺序，见另一文《Java类和实例初始化顺序》

JVM对类的加载，是通过ClassLoader及其子类来完成的，分为：

Bootstrap ClassLoader, Extension ClassLoader, Application ClassLoader, Custom ClassLoader。

1） Bootstrap ClassLoader:

Sun JDK采用C++实现此类，启动时会初始化此ClassLoader，并由它完成jre/lib/rt.jar包里所有class文件的加载。

如果用java代码去打印此类，只会显示null。

2) Extension ClassLoader：

用来加载扩展包。Sun JDK中，继承自java.lang.ClassLoader，全限定名为：sun.misc.Launcher.ExtClassLoader

3) Application ClassLoader：

用来加载classpath指定的jar包。Sun JDK中，继承自java.lang.ClassLoader，全限定名为：sun.misc.Launcher.ExtClassLoader

（注意：ExtClassLoader和AppClassLoader是属于同一个package的，而不是加载关系中的父子关系）

4) Custom ClassLoader:

根据用户的需要定制自己的类加载过程，在运行期进行指定类的动态实时加载。

在代码中可以通过类名.class.getClassLoader()或类名.class.getClassLoader().getParent()或继续.getParent()来得到类名信息。

Sun JDK中各ClassLoader的继承关系如下图：

其实IBM的JDK中用到的ClassLoader基本都是Sun的这一套，并在此基础上再实现了一些ClassLoader类。

加载过程中会先检查类是否被已加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查，只要某个classloader已加载就视为已加载此类，保证此类只所有ClassLoader加载一次。

而加载的顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试加载此类。

这就是所谓的双亲委托模式（英文名为parent delegation，其实是单亲，双亲这个词容易让人误会），这样可以避免重复加载，当父亲已经加载了该类的时候，就没有必要子ClassLoader再加载一次。比如java.lang.String在系统启动的时候由Bootstrap ClassLoader加载了，所以用户就不能再试图自己写一个java.lang.String来代替原有的String类了。

命名空间：

Java的命名空间其实说法并不统一。

一说Java的命名空间就是package，如同C#里的namespace。

一说Java的命名空间是由类装载器实例所装载的类组成。每个类装载器实例有自己的命名空间，命名空间由所有以此装载器实例为创始类装载器的类组成。

不管怎么说，不同命名空间的两个类是不可见的，但只要得到类所对应的Class对象的reference，还是可以访问另一命名空间的类。

隐式加载和显式加载

隐式加载：程序在运行过程中当碰到通过new 等方式生成对象时，隐式调用类装载器加载对应的类到jvm中。

显式加载：通过class.forname()，class.loadClass()等方法，显式加载需要的类。

两个异常ClassNotFoundException和NoClassDefFoundError的区别：

ClassNotFoundException: 当前ClassLoader加载类时未找到类文件。

NoClassDefFoundError: 主要原因是加载的类中引用到得其他类找不到。

2.3 类执行机制

前面说了，JVM规范并没有规定如何执行class文件。计算机不能理解高级语言（如Java,C），只能理解机器语言。Java编译器是把Java文件编译为二进制字节码。这是一种中间代码，计算机仍然不懂。这就需要JVM把它翻译成机器码。翻译有两种方式：解释和编译。那么在JVM执行类的时候，就有两种方式了：解释执行和编译执行。

解释执行：

在运行程序的时候才翻译，且每次运行都需要翻译，所以效率低。

JVM采用了invokestatic、invokevirtual、invokeinterface、invokespecial四个指令来执行不同的方法调用，基本上可以从名字看出来各自的用途，其中invokespecial是用来调用private方法和实例初始化方法。

编译执行：

将字节码编译成机器码执行。这里需要特别指出的是，Sun JVM支持在运行时编译（Just In Time, JIT编译）。Sun JVM在执行过程中对执行频率高的代码（Hotspot，热点）进行编译，对执行不频繁的代码则继续采用解释的方式，所以Sun JVM又称为Hotspot VM。

Sun JVM提供了两种编译模式： client compiler(-client)和server compiler(-server)。

• client comiler: 又称为C1，轻量级，只做少量优化，占用内存少。主要优化有：

• 方法内联

• 去虚拟化

• 冗余削除

• server compiler: 又称为C2，重量级，采用大量优化，占用内存多。逃逸分析是C2进行很多优化的基础。

主要优化有：

• 变量替换

• 栈上分配
• 同步削除

逃逸分析（Escape Analysis）：是指根据运行状况来判断方法中的便利是否会被外部读取。如会被读取，则此变量是逃逸的。比如在方法中，给外部全局变量赋值，或方法有返回值，或对象引用传递等。如果没有发生逃逸，则可以对代码进行上述优化

几种情况下：

32位windows机器始终都是client模式。

当机器配置CPU超过2核且内存超过2G，默认为server模式。

可以通过增加-client或-server来强制指定。

查看本机默认编译方式：

在命令行执行”java –version”

如：

java version “1.7.0_01″

Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.7.0_01-b08)

Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 21.1-b02, mixed mode)

最后一行显示了其JVM默认为server模式编译。mixed mode表示解释和编译混合执行，区别于单纯的解释执行和编译执行。

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3. JVM内存管理

3.1 内存空间划分

JVM在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干不同的数据区域，各区域有各自不同的用途和生存期。按规范，JVM所管理的内存包括以下几个运行时数据区域：

• 程序计数器(Program Counter Register)：

程序计数器是一块比较小的内存空间，它是线程私有的内存，指向当前线程所执行的字节码的位置。

程序计数器是唯一一块不会抛出OutOfMemoryError的区域。 

• 虚拟机栈(VM Stacks)：

即栈，或称方法栈。也是线程私有的。基本操作为压栈和出栈，单位为栈帧，顺序为先进后出。

栈帧由三部分组成：局部变量区、操作数栈、栈帧数据区。（动态链接，方法出口）

局部变量表存放了编译器可知的基本数据类型、对象引用和方法返回值等。

栈是运行时的单位。

StackOverFlowError: 当线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度时，抛出StackOverFlowError。换句话说，当需要存储的数据超过了分配的栈空间时，就会抛这个错误信息。比如死循环、递归次数过多等。

OutOfMemoryError: 虚拟机栈动态扩展到无法申请到足够的内存时，就会抛OutOfMemoryError。但基本很少会碰到这个Error。

• 本地方法栈(Native Method Stacks)：

本地方法栈是为虚拟机使用的本地方法服务的。而虚拟机栈则是为虚拟机执行Java方法服务的。两者很相似，HotSpot虚拟机是直接把两者合二为一的。

当然也是线程私有的。 

• 堆(Heap)：

一个JVM只有一个堆，所有线程共享。堆用来存放类实例和数组。这块区域是GC管理的主要区域。

堆是存储的单位。

当堆中没有足够内存来分配对象实例，且堆无法再扩展时，就会OOM。

• 方法区(Method Area)：

又称为非堆（Non-Heap），也是所有线程共享的。

用于存放虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存放编译期生成的常量和符号引用。

HotSpot虚拟机使用Perm代（永久代）来实现方法区，所以在一定概念和时间范围内可以相互通用。但以后HotSpot也将采用Native Memory来实现方法区。

3.2 对象访问

我们知道，一个对象的引用reference是分配在栈空间的局部变量表里的，指向对象的引用。但JVM规范并没有规定对象的访问方式。主流的访问方式有两种：使用句柄和直接访问。

使用句柄：Java堆中划分一块区域作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息。如图：

直接访问： reference中直接存储堆中的对象地址。如图：

使用句柄的好处：当发生GC时，对象经常会发生移动，而reference中存储的句柄地址就不需要发生变化，变化的只是句柄中的对象指针。

直接访问的好处：速度！

HotSpot采用直接访问的方式。

3.3 GC

3.3.1 垃圾回收算法：

引用计数（Reference Counting）

标记-清除（Mark-Sweep）

复制（Copying）

标记-整理（Mark-Compact）

增量收集（Incremental Collecting）

分代（Generational Collecting）：

3.3.2 垃圾收集器：

HotSpot JVM有如下几种垃圾收集器，这里不展开了：

Serial收集器

ParNew收集器

Parallel Scavenge收集器

Serial Old收集器

Scavenge Old收集器

CMS收集器

G1收集器

 3.3.3 分代回收：

不同的对象的生命周期是不一样的，因此对不同生命周期的对象，可以采取不同的回收方式，以提高回收效率。所以分代收集算法是以其他算法为基础的。

在HotSpot JVM中将分配到的内存堆（Heap）分为两个物理区域，一个是年轻代（Young Generation），一个是年老代（Tenured Generation），另外再加上持久代（Permanent Generation），就组成了分代回收GC中的三个内存区域。其中持久代主要存放的是Java类的类信息，与垃圾收集要收集的Java对象关系不大。年轻代和年老代的划分是对垃圾收集影响比较大的。

Young（年轻代）: 一般来说年轻代又分为一个Eden区和两个Survivor区。（也可分多个Survivor区） Survivor区无先后顺序，彼此对等。大部分对象在Eden区生成。

当Eden区满的时候，存活的对象就被复制到其中一个Survivor区中，我们权且称其为主Survivor区；

当此Survivor区的数据又满的时候，其中的对象就被复制到另一个Survivor区，原Survivor区被清空。那么现在，第二个Survivor区就成了主区，所以它同时又接收Eden区复制转移过来的对象。

当此Survivor区再次满的时候，复制转移了两次还存活的对象，就被复制到年老代中去了。(转移几次才复制到老年代中，可通过参数配置)

Tenured（老年代）:一般来说，年老代存放的都是存活期较长的对象。

Permanent(持久代): 用于存放静态数据，如类、方法等。注意，持久代仅仅是HotSpot虚拟机目前对方法区的实现方式，其他虚拟机是没有持久代的，所以持久代不等同于方法区。

分代垃圾回收分为两种：Scaverage GC和Full GC

Scaverage GC:

当新产生对象，写入Eden区，而Eden区满了的时候，就会触发Scaverage GC。这时GC就会清理Eden区，清除非存活对象，把存活的对象写入Survivor区， 同时清理两个Survivor区。Eden区内存分配不大，且大部分对象都是在Eden区产生的，所以Scaverage GC会比较频繁。

Full GC:

Full GC会对整个堆进行整理，包括年轻代、年老代、持久代。Full GC会消耗很多内存，频繁的Full GC更会严重影响性能，所以要避免频繁的Full GC。会导致Full GC的可能原因有：

• Tenured Generation写满了。
• Perm Generation写满了。
• 显式调用System.gc()

3.3.4 常见配置汇总

1. 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

2. 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

3. 垃圾回收统计信息

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

4. 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)

5. 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。