Java虚拟机（JVM）学习笔记（不定时更新）

Java虚拟机（JVM）学习笔记

不少组织都曾开发过Java虚拟机：

SUN公司曾经使用过3个虚拟机，Classic、Exact VM、Hotspot。
   其中Hotspot虚拟机沿用至今，并已被Oracle合并到其新的虚拟机平台中（与同样被Oracle收购的BEA公司的JRocket虚拟机合并）。
   IBM的Java虚拟机叫J9。
   Apache也曾推出过一款叫做Apache Harmony的Java运行平台，受到同样开源的OpenJDK的排挤，已于2011年退出市场。

Java虚拟机的基本结构：

   1、类加载子系统；
   2、Java内存（程序计数器、Java堆、Java栈、本地方法栈、方法区、直接内存）；
   3、垃圾回收子系统；
   4、执行引擎。

Java堆：

   一个Java程序的几乎所有对象都存放在堆中，并且堆是完全自动化管理的，不需要显式释放堆中的垃圾对象。
   在不同的虚拟机中或在不同的垃圾回收机制下，Java堆可能具有不同的结构特征，但最常见的组织结构是把整个堆分为新生代和老年代（tenured）。
   新生代中存放新创建的对象和“年龄”不大的对象；老年代则存放“年龄”足够大的对象。
   新生代又分为eden、from、to三个区域，其中from和to是两块大小相等、可以互换角色的内存空间。
   通常，新创建的对象在eden区分配内存，在一次新生代回收后，如果对象还存活，则会被转移到from区或to区。
   对象进入from区或to区之后，没经过一次新生代回收，如果对象还存活着，则它的“年龄”加1。当“年龄”增长到一定程度后，会被转移到老年代。

Java栈：

   Java栈是线程私有的内存空间。函数调用是线程执行的基本行为，每次函数调用所需的数据都是通过Java栈传递的。
   Java栈和数据结构课程中所描述的栈有类似的特征，都是一种先进后出的数据结构，只支持入栈和出栈两种操作。
   栈帧是Java栈的基本单元。每次函数调用都会有一个栈帧入栈；每次函数调用结束，都会有一个栈帧出栈。
   无论函数是正常返回还是抛出异常，都会有一个栈帧出栈。

栈帧：

   在一个栈帧中，至少包含3个部分：局部变量表、操作数栈、帧数据区。
   由于每次函数调用都会有栈帧入栈，从而占据更多的栈空间，显然如果栈空间不足以放置更多的栈帧时，函数调用将无法继续下去，这个时候会抛出StackOverflowError。
   Java虚拟机提供了“-Xss”参数，用于在虚拟机启动的时候配置栈空间的最大值，这个最大值决定了函数嵌套调用的深度。

局部变量表：

   局部变量表是栈帧的重要组成部分，它用于保存函数的参数和局部变量。
   由于局部变量表在栈帧中，如果函数的参数和局部变量过多，会造成局部变量表膨胀，从而栈帧变大，函数嵌套调用的深度也会降低。

操作数栈：

   操作数栈也是栈帧的组成部分之一，它被用来保存计算的中间结果，作为计算过程中变量的临时存储空间。
   操作数栈也是先进后出的，很多Java字节码指令都需要通过操作数栈进行参数传递。

帧数据区：

   帧数据区中保存着常量池的指针，方便字节码指令访问常量池。
   帧数据区中保存了一张异常处理表，方便在发生异常时找到处理异常的代码。

栈上分配：

   栈上分配是Java虚拟机提供的优化技术。
   它的思路是，可以把某些线程私有对象分配在栈上，借助退栈操作直接清理该对象，而不需要垃圾回收子系统的介入，减少GC，从而提高系统性能。
   栈上分配的技术基础是逃逸分析，逃逸分析用于判断某个对象是否能够被其他线程访问到。
   如果某个对象能够被其他线程访问到，则它是一个逃逸对象，不能分配在栈上。
   顺便提一下，书上说只有Java虚拟机运行在Server模式下的时候，才可以启用逃逸分析。

方法区：

   方法区和Java堆一样，是线程共享的内存区域。它主要用于保存Java类信息（字段、方法等）。
   方法区的大小决定了虚拟机中可以加载多少Java类。
   如果有太多的Java类需要加载（通常使用了某些动态代理技术时，会动态产生过多的类信息），会抛出内存溢出错误。
   虚拟机参数-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize用于指定方法区的最小和最大尺寸。默认情况下，最大64MB。
   在JDK1.6和1.7中，方法区也叫永久区。
   在JDK1.8、1.9和1.10中，永久区已被“元数据区”取代！
   元数据区是直接内存。
   和永久区不同的是，元数据区可以扩展至耗尽所有系统内存。

跟踪调试参数：

Java虚拟机提供了大量用于跟踪系统状态的参数，配置使用这些参数，可以在Java程序运行过程中打印相关日志，用于问题分析。

GC参数：

GC（垃圾回收）机制是Java的一大特色，可以帮助程序员管理内存。
但是当GC对程序本身造成影响（GC过于频繁、CPU过载等）时，需要进行分析处理。

打印GC日志：

   -XX:PrintGC，使用这个参数启动虚拟机，只要遇到GC，就会打印日志。
   -Xlog:gc，这个参数是用来给JDK9和JDK10打印GC日志的，因为这两个版本的JDK默认使用G1收集器。
   打印详细GC日志的参数是-XX:PrintGCDetails（JDK9和JDK10中对应的参数是-Xlog:gc*）。

跟踪类的加载、卸载：

   -verbose:class参数可以跟踪类的加载和卸载。
   单独使用-XX:+TraceClassLoading参数（JDK9和JDK10中对应的参数是-Xlog:class+load=info），跟踪类的加载情况。
   单独使用-XX:+TraceClassUnloading参数（JDK9和JDK10中对应的参数是-Xlog:class+unload=info），跟踪类的卸载情况。

查看系统参数：

   -XX:+PrintVMOptions参数，在程序运行时打印虚拟机接收到的命令行显式参数列表。
   -XX:+PrintCommandLineFlags参数，打印传递给虚拟机的显式和隐式参数。
   -XX:+PrintFlagsFinal参数，打印所有的系统参数值。

Java堆大小设置：

   当Java进程启动时，虚拟机会给该进程分配一块初始堆空间，当初始堆空间耗尽后，虚拟机会扩展堆空间，扩展后的堆空间大小不能超过最大堆空间。
   -Xms参数：在Java进程启动时，指定初始堆空间大小。
   -Xmx参数：指定最大堆空间大小。

新生代的配置：

   -Xmn参数：用于设置新生代的大小。
   -XX:SurvivorRatio参数用于指定新生代中eden区和from/to区的比例，即：
   -XX:SurvivorRatio=eden/from=eden/to
   新生代的大小一般设置为整个堆空间的四分之一到三分之一，新生代的大小对GC有很大影响！
   基本上，应该尽可能将对象预留在新生代，以减少老年代GC的次数。
   设置较大的新生代会减小老年的大小。
   -Xmn参数可以指定新生代的绝对大小，还可以使用-XX:NewRatio参数来设置新生代和老年代的比例：
   -XX:NewRatio=老年代/新生代

堆溢出：

   Java程序在运行过程中，如果遇到堆内存不足的情况时，则会抛出内存溢出错误（OOM，Out Of Memory）。
   对于OOM，Java虚拟机提供了-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError参数，用于在发生OOM时导出整个堆信息。
   这个参数配合另一个参数-XX:HeapDumpPath，指定导出堆的存放路径：
   java -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=d:/java.dump ...
   另外，还有一个参数-XX:OnOutOfMemoryError，在发生错误时，调用一个脚本文件，用于善后处理。
   java -XX:OnOutOfMemoryError=d:/abc.bat ...

方法区配置：

   在JDK1.6和JDK1.7中，可以使用下面两个参数设置方法区大小的下限和上限：
   -XX:PermSize
   -XX:MaxPermSize
   JDK1.8以后，方法区已被废弃，类信息存放在元数据区中。
   元数据区只受系统可用内存的限制。
   可以使用-XX:MaxMetaspaceSize参数设置元数据区的最大可用值。

直接内存配置：

   直接内存跳过Java堆，直接操作系统原生内存。从一定程度上加快了内存的访问速度。
   但是认为使用直接内存一定可以提高性能是错误的。
   一般来说，直接内存的访问速度比Java堆内存要快，但是在内存申请时，直接内存毫无优势可言。
   所以看，直接内存适合申请次数较少、访问较频繁的场景。
   -XX:MaxDirectMemorySize参数可以限定直接内存的最大值，如果不设置这个参数，则默认最大值为-Xmx参数的值。
   当已使用的直接内存到达指定的最大值时，会触发GC，GC后如果仍旧内存不足，会引起OOM。

Java虚拟机的工作模式：

   Java虚拟机支持Client和Server两种运行模式。
   这两种运行模式可以通过两个参数分别指定：
   -client参数
   -server参数
   因为以Server模式启动Java程序时，会尝试手机更多的系统性能信息，使用更复杂的优化算法，所以Server模式启动程序的速度要慢于Client模式。
   但是也正是因为这样，以Server模式启动的Java程序，要远远快于以Client模式启动的Java程序。

常见垃圾回收算法：

   1、引用计数法（Reference Counting）；
   2、标记清除法（Mark-Sweep）；
   3、复制算法（Copying）；
   4、标记压缩法（Mark-Compact）；
   5、分代算法（Generationall Collecting）；
   6、分区算法（Region）。

引用计数法：

   引用计数法是最经典且古老的一种垃圾收集算法。
   引用计数法的基本思想是给对象设置一个引用次数的变量。
   对象被赋值给其他变量，引用次数加一；引用失效后，引用次数减一。
   但引用次数变成零的时候，代表对象不再被任何变量引用，可以直接回收该对象占用的内存空间。
   引用计数法的最严重问题是无法处理循环引用的问题。

标记清除法：

   标记清除法是现代垃圾收集算法的思想基础。
   标记清除法分两个阶段：标记阶段和清除阶段。
   在标记阶段，算法通过根节点标记所有从根节点开始的可达对象。
   在清除阶段，回收所有未被标记的对象所占用的内存空间。
   标记清除法的最大问题是可能产生大量的内存碎片。

复制算法：

   复制算法的核心思想是：
   将这个内存空间分成两块，每次只使用其中的一块。
   当需要垃圾回收时，将正在使用的那一块中所有的存活对象都复制到另一块内存空间中，然后清理当前内存块中的所有对象。
   之后交换两块内存的角色，GC完成。
   复制算法非常符合新生代垃圾回收的要求，因为新生代里的垃圾对象通常远远多于存活对象，因此更有效率。
   之前介绍过新生代被分成了三块：eden、from、to。
   其中的from区和to区可以视为复制算法中的两块大小相同、地位相等且可以互换角色的内存空间。

标记压缩法：

   标记压缩法是一种老年代的回收算法。
   它是标记清除法的优化版。
   标记压缩法在执行了标记清除法的两个阶段后，还会把存活对象压缩到内存的一端，从而避免了碎片的产生。
   也就是说，标记压缩法=标记清除法+碎片整理。

分代算法：

   分代算法本身并不是一种新的垃圾回收算法。
   它的思路是，根据对象的特点，把内存分成不同的块，然后根据每块内存中对象的特点，选择不同的垃圾回收算法，以提高效率。
   分代算法被现代虚拟机广泛使用，几乎所有的垃圾回收器都区分新生代和老年代。
   通常，新生代会频繁发生垃圾回收，但是每次垃圾回收耗时都比较短；而老年代的垃圾回收并不频繁，但是只要发生垃圾回收，都会消耗很长时间。

分区算法：

   通常，内存空间越大，一次垃圾回收的耗时就越长。
   分区算法的思路是，把这个内存空间分割成若干小的区间，每次需要垃圾回收时，都选择其中的部分小区间进行回收，而不是回收整个内存空间。
   这样就有效控制了每次垃圾回收所产生的停顿时间。

可触及性：

   一个相对是否可以被当做垃圾回收，需要考察这个对象的可触及性，即在任何情况下，从根节点开始是否可以访问到这个对象。
   如果在任何情况下，从所有根节点开始，都无法直接或间接访问到这个对象，则说明这个对象已经不再被使用了，该对象可以被回收。
   可触及性设计三种状态：
   1、可触及，从根节点开始，可以到达该对象，则称该对象可触及；
   2、可复活，对象的所有引用都已释放，但是该对象可以通过调用其finalize方法被复活；
   3、不可触及，finalize方法已被调用（finalize只可能被虚拟机调用一次），但没有被复活，该对象就进入不可触及状态。

finalize方法：

   finalize方法是一个非常糟糕的反模式，不推荐使用它来释放资源。
   首先，finalize方法很可能在无意中复活对象。
   其次，finalize方法是由系统调用的，调用时机不明确。

引用强度：

   Java中提供了4个级别的引用：
   1、强引用；
   2、软引用；
   3、弱引用；
   4、虚引用。

强引用：

强引用就是一般的引用，它不会被垃圾回收器回收。

软引用（java.lang.ref.SoftReference）：

   软引用比强引用稍微弱一点。
   如果某对象只持有软引用，那么当堆空间不足时，就会被回收，因此软引用对象不会引起内存溢出。

弱引用（java.lang.ref.WeakReference）：

   弱引用比软引用还要弱。
   在垃圾回收时，不管系统内存的使用情况如何，只要发现弱引用，就会立即对其进行回收。
   弱引用之所以可以在内存中存在，是因为垃圾回收线程的优先级很低，不能立即发现它。

虚引用（java.lang.ref.PhantomReference）：

   虚引用是所有引用类型中最弱的一个。虚引用和没有引用几乎是一样的，随时都可能被回收。
   试图通过虚引用的get方法取得强引用时，总会失败。
   虚引用只是为了跟踪垃圾回收过程。

垃圾回收器：

   1、串行回收器；
   2、并行回收器；
   3、CMS回收器；
   4、G1回收器。

串行回收器：

   每次垃圾回收时，串行回收器都只有一个工作线程。
   对于并行能力差的机器，使用串行回收器反而性能更高、效率更好。因为机器并行能力差，启动多个线程并行回收，反而多了线程切换的开销。
   串行回收器是独占式的，垃圾回收过程中，所有其他线程都要停止工作。
   串行回收器既可以用于新生代，也可以用于老年代。

新生代串行回收器：

   新生代串行回收器使用复制算法，容易实现、逻辑处理高效，且没有线程切换的开销。
   虚拟机以Client模式启动时，串行回收器是默认回收器。

老年代串行回收器：

   老年代串行回收器使用标记压缩算法。
   可以使用以下三种参数指明老年代使用串行回收器：
   1、-XX:+UseSerialGC参数，新生代、老年代都使用串行回收器；
   2、-XX:+UseParNewGC参数（JDK9和JDK10中，该参数已作废），新生代使用ParNew回收器，老年代使用串行回收器；
   3、-XX:+UseParallelGC参数，指定新生代使用ParallelGC回收器，老年代使用串行回收器。

并行回收器：

并行回收器使用多个线程同时进行垃圾回收，对于并行能力更强的机型来说，可以有效减少每次垃圾回收所需的时间。

新生代并行回收器（ParNew）：

   ParNew回收器是新生代垃圾回收器，使用复制算法，它只是简单地将新生代串行回收器多线程化。
   ParNew回收器也是独占式的，当它启动时，其他所有线程都要暂停。
   -XX:+UseConcMarkSweepGC（JDK9、JDK10中已不建议再使用该参数），新生代使用ParNew回收器，老年代使用CMS回收器。
   ParNew回收器的线程数可以通过-XX:ParallelGCThreads参数指定。
   该回收器的线程数一般需要与计算机的CPU核数关联，一般情况下：
   1、当CPU核数小于8时，ParallelGCThreads的值取CPU的核数；
   2、当CPU核数大于8时，ParallelGCThreads的值等于3+(5*CPU_count/8)。

新生代并行回收器（ParallelGC）：

   ParallelGC回收器也使用复制算法。
   看上去ParallelGC回收器和ParNew回收器很相似。不同的是，ParallelGC回收器非常关注系统的吞吐量。
   新生代ParallelGC回收器可以使用两种参数启用：
   1、-XX:+UseParallelGC，新生代使用ParallelGC回收器，老年代使用串行回收器。
   2、-XX:+UseParallelOldGC，新生代使用ParallelGC回收器，老年代使用ParallelOldGC回收器。
   ParallelGC回收器提供了两个参数用于控制系统吞吐量：
   1、-XX:MaxGCPauseMillis，设置最大停顿时间，该参数值是一个大于0的整数。
   指定该参数后，回收器会自动调整Java堆的大小或其他系统参数，尽量把停顿时间控制在MaxGCPauseMillis以内。
   MaxGCPauseMillis不能设置得过小，因为过小的话，回收器会把堆调整得很小，这样会造成垃圾回收频繁，系统吞吐量反而更低了。
   2、-XX:GCTimeRatio，设置吞吐量大小，该参数值是一个0到100以内的整数。
   系统将花费不超过1/(1+GCTimeRatio)的时间进行垃圾回收。
   默认GCTimeRatio到取值为99，即有不超过1/(1+99)=1%的时间用于垃圾回收。
   -XX:MaxGCPauseMillis参数和-XX:GCTimeRatio参数是互相矛盾的，因为：
   如果减小每次垃圾回收的时间，吞吐量也会降低；
   而增加吞吐量，又会延长每次垃圾回收的时间。
   ParallelGC回收器还可以通过-XX:+UseAdaptiveSizePolicy参数打开自适应GC策略，让虚拟机自行完成GC调优工作。

老年代并行回收器（ParallelOldGC）：

   ParallelOldGC回收器使用标记压缩算法。
   ParallelOldGC回收器也是多线程的，和新生代ParallelGC回收器一样，它也关注吞吐量。

CMS回收器（Concurrent Mark Sweep、并发标记清除）：

   CMS回收器使用标记清除算法。
   CMS回收器主要关注系统停顿时间。

CMS回收器的工作过程：

   CMS回收器工作时的主要步骤有：
   1、初始标记（独占式）；
   2、并发标记；
   3、预清理；
   4、重新标记（独占式）；
   5、并发清除；
   6、并发重置。

启用CMS回收器：

使用参数-XX:+UseConcMarkSweepGC可以声明启用CMS回收器。

并行和并发的区别：

   并发是指回收器和应用线程交替执行；
   并行是指应用程序完全挂起，同时由多个线程一起执行GC。

CMS回收器的执行：

   CMS回收器不是独占式的，在CMS回收过程中，应用线程任然可以继续执行。
   应用线程执行过程中，又会产生垃圾对象，这些新的垃圾对象在当前的CMS回收过程中是无法清理的。
   所以在CMS回收过程中，要确保应用线程有足够的内存可用。
   因此，CMS回收器不会等到内存耗尽的时候才进行垃圾回收，而是在内存使用率到达一定程度时就开始垃圾回收了。
   可以通过参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction指定一个阈值，默认68，即内存使用率到达68%时，CMS回收器就会执行。

CMS阈值的设置原则：

如果内存使用率飞速增长，在CMS回收过程中，已经出现了内存不足的状况，CMS回收就会失败。
   CMS失败后，虚拟机会启动老年代串行回收器进行垃圾回收，这时，应用线程会被全部挂起！造成很长的停顿时间。
   如果内存使用率上升缓慢，可以将CMSInitiatingOccupancyFraction设大点，以有效降低CMS的触发频率，减少老年代回收次数。
   如果内存使用率上升飞快，可以将CMSInitiatingOccupancyFraction设小点，以避免老年代串行回收器的触发频率。

CMS内存压缩参数：

   CMS回收器使用的是标记清除算法，这种算法容易产生内存碎片。
   为了减少碎片，CMS回收器提供了两个用于压缩内存的参数：
   1、-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection，CMS垃圾收集完成后，进行一次碎片整理（非并发）。
   2、-XX:CMSFullGCBeforeCompaction，设定进行了多少次CMS回收后，进行一次内存压缩。

G1回收器（Garbage First）：

   G1回收器是JDK1.7中引入的，可以替代CMS回收器。
   G1仍旧属于分代回收器。
   从堆的结构上看，G1回收器采用了分区算法，新生代和老年代都不必连续。
   G1兼顾新生代和老年代，其它回收器要么只工作在新生代，要么只工作在老年代。
   G1每次回收都会进行有效的内存复制，减少内存碎片。
   由于分区，G1可以每次只回收部分区块，缩小了回收范围，可以有效控制GC停顿。

G1相关参数：

   -XX:+UseG1GC，该参数用于声明使用G1回收器。
   -XX:MaxGCPauseMillis，该参数用于指定最大停顿时间。
   在实际运行过程中，如果任何一次停顿超过MaxGCPauseMillis，G1就会调整新生代和老年代的比例、调整堆大小、调整晋升年龄等，以符合预设目标。
   -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent，这个参数用于指定当整个堆使用率达到多少时，触发并发标记周期。
   InitiatingHeapOccupancyPercent默认值是45，即当整个堆的使用率达到45%时，触发并发标记周期。
   InitiatingHeapOccupancyPercent一旦被设置，G1就不会再修改它了。

禁用System.gc()：

   默认情况下，System.gc()会显式触发Full GC，同时对老年代和新生代进行回收。
   使用-XX:-+DisableExplicitGC，可以禁用显式GC，它使System.gc()等价于一个空函数调用。

调用System.gc()时，使用并发回收：

   默认情况下，如果没有禁用System.gc()，会使用传统的Full GC方式回收整个堆。
   使用参数-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent，可以使用并发方式进行回收。
   不使用这个参数，即使启用了CMS或G1，也不会进行并发回收。

TLAB（线程本地分配缓存，Thread Local Allocation Buffer）：

   TLAB是线程专属的内存分配区域。
   在同一时刻，通常会有大量的线程在对上申请内存空间，所以每一次内存分配都必须进行加锁同步，加锁是效率低下的。
   TLAB由于是线程专属的，其他线程无法访问，所以能够不用加锁就进行内存分配。
   TLAB在eden区。

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