深入JVM读书笔记

今年买了本深入java虚拟机的书来学习，由于工作时间，只读了一半，争取后续读完，顺便贴一下自己的读书笔记。

一、JVM介绍

Classic VM：第一代虚拟机
Exact VM：生命周期短
Sun HotSpot VM：目前最广的虚拟机
JRockit VM：BEA公司开发，速度快（后期与HotSpot融合）
Dalvik VM：Android平台的虚拟机（没有遵循虚拟机规范）

二、内存管理

1.JAVA内存区域

1.1.程序计数器：记录线程所执行的字节码的行号指示器。（对于native方法为空）

1.2.Java虚拟机栈：方法执行创建栈帧（局部变量表（编译期间就知道分配多大内存），操作数栈，动态链接，方法出口等）用于入栈出栈，局部变量表：存放基本数据类型，对象引用。(long和double占用2个局部变量空间)。如果栈深度大于虚拟机运行的深度，StackOverflowError,无法申请足够的内存OutOfMemoryError(线程私有)

1.3.本地方法栈：与JAVA虚拟机栈相似，为了执行native方法服务。

1.4.Java堆：线程共享，虚拟机启动时创建，存放对象实例和数组（类的成员变量）（堆还能细分：新生代，老年代等），堆没有内存可扩展OutOfMemoryError

1.5.方法区：线程共享，存储被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（方法区：垃圾回收低，但也是有回收的必要）OutOfMemoryError（线程共享）

1.6.运行时常量池：方法区的一部分，Class文件有常量池：存放编译期生成的各种字面量和符号引用，类加载后进入方法区，这部分存放运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，String.intern()，也会抛出OutOfMemoryError

1.7.直接内存：不是虚拟机规范的内存区域，在NIO中使用native方法直接分配堆外内存，虽然不受虚拟机限制，但是可能超过本机内存，可能会出现OutOfMemoryError

2.对象创建过程

new指令：检查常量池中定为到一个类的符号引用，并且检查是否被加载、解析和初始化。没有就执行类加载过程，为新生对象分配内存，将分配到的内存空间都初始化为零值，堆对象进行设置（哪个类的实例，哈希码等），执行init方法。

堆的分配：

指针碰撞：堆是规整的情况下，只需要堆上的指针移动相对应大小的距离就是分配内存

空闲列表：堆是不规则的情况，从列表中找到足够大的空间划分给对象实例。

堆是否规整取决于垃圾收集器是否有压缩整理功能

内存分配对于线程同步情况：CAS配上失败重试保证原子性，宁外一种每个线程在堆中预先分配一小块内存（本地线程分配缓冲TLAB）只有TLAB用完之后分配新的才需要同步锁定

3.对象的访问定为

1.句柄访问：堆中划分一块内存做句柄池，栈上存放句柄地址

2.直接指针访问：需要考虑类型数据的相关信息，存储对象的地址 句柄的好处：对象移动只需要修改句柄，直接指针定位快（HotSpot用第2种）

3.内存溢出异常

堆溢出：不断创建对象同时不被回收，（-Xmx-Xms来设置堆最大值与最小值）

栈溢出：不断创建本地变量， 通过设置-Xss栈内存容量 方法区溢出：在OutOfMemoryError会跟着PermGen space （-XX:PermSize -XX:MaxPermSize设置方法区大小）

三、垃圾收集器与内存分配策略

过程：设置安全点等待线程到达进行GC，根据可达性算法分析对象是否收集，通过收集算法处理内存。实现就是垃圾收集，根据新生代和老牛年还有CPU等分了很多种

1.垃圾收集

程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈：随线程而生而灭，栈帧也基本是类结构就确定，无须过多考虑，主要考虑堆和方法区

2.判断对象是否存活

2.1.引用计数算法

通过对象中添加计数器，有引用加1，失效减1，为0不被使用。无法解决2个对象互相应用（oa.i=ob,ob.i=oa）虚拟机不是使用这种

2.2.可达性分析算法

以GC Roots作为起点开始向下搜索引用链，当一个对象到GC Roots没有引用链就被当做不可用。（栈中的引用的对象，方法区引用的对象都可以作为GC Roots）

3.引用

强引用：Object a = new Object();只要强引用，永远不会被回收掉
软引用：有用但非必须的对象，在系统快发生内存溢出之前，会对这些对象进行二次回收，如果还不够才会抛出异常
弱引用：有用但非必须的对象，比软引用更弱一些，只能生存到下次垃圾收集发生之前
虚引用：最弱的引用，在被对象回收时收到一个系统通知

4.对象的回收

不可达对象，在第一次标记之后会执行finalize方法，如果在改方法中又重新建立了关联，就不会被回收，如果第二次被回收，即使在finalize中关联也没用，也会被回收。只能拯救一次

5.垃圾收集算法

5.1.标记清除算法：标记和清除两个阶段，先标记需要回收的对象，在标记完统一回收所有被标记对象（效率不高，产生内存碎片）

5.2.复制算法：把内存一份为二，每次只用其中一块，回收时，把存活的对象全部复制到宁外一块上，在一次性清理使用过的内存，（不用考虑内存碎片，浪费了一半内存）。新生代就是使用这种(回收率高)

5.3.标记整理算法：标记过程与标记清除算法一致，在整理时，让存活对象全部向一端移动，然后直接清除掉端边界以外内存。（适用老年代）

5.4.分代收集算法：大部分虚拟机用这种，把堆划分老年代，新生代，根据年代特点，选择适合的算法。

6.HotSpot算法实现（何时进行GC）

6.1.枚举根节点：GC的时候为了保证一致性要系统停顿，使用OopMap来保存引用位置，GC扫描就可以直接知道信息。

6.2.安全点：为了不让每条指令都生成OopMap，需要设置安全点，在特定位置记录。在GC的时候让所有线程都到安全点。

6.2.1.抢先式中断：把全部线程停止，恢复不再安全点的线程，让它运行到安全点。

6.2.2.主动式中断：GC时候设置标志位，所有线程自己轮询判断是否到达。（都采用这种）

6.3.安全区域：有些Sleep状态的线程无法走到安全点，引入安全区域（拉伸的安全点），在安全区域的任意地方GC都是安全的。

7.垃圾收集器

7.1.Serial收集器：最基本，早悠久的收集器，使用单线程收集，使用复制算法，收集时停止全部线程（使用于新生代，Client模式下的虚拟机，简单高效）

7.2.ParNew收集器：Serial收集器的多线程版本。默认开启的线程数等于cpu数量，在不是非常多的CPU下，效率不如Serial收集器

7.3.Parallel Scavenge收集器：也是多线程新生代收集器。专注于吞吐量，运行代码时间和垃圾收集时间的比例（MaxGCPauseMillis,GCTimeRatio设置）

7.4.Serial Old收集器：Serial收集器的老年代版本，使用标记整理算法

7.5.Parallel Old收集器：Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和标记整理算法

7.6.CMS收集器：基于标记-清除算法，初始标记（stop world），并发标记，重新标记，并发清除

7.7.G1收集器：最新的收集器。

8.内存分配策略

8.1.对象优先在Eden分配

8.2.大对象直接进入老年代：-XX:PretenureSizeThreshold 来设置对象的限制大小，超过就是大对象

8.3.长期存活的对象进入老年代：根据年龄来判断对象（每次minor gc 年龄加1）-XX:MaxTenuringThreshold设置年龄限制

8.4.动态对象年龄判定：在Survivor空间相同年龄的对象大小之和大于空间一半，年龄大于等于的对象都进入老年代

8.5.分配空间担保：HandlePromotionFailure来设置是否启用。判定老年代的连续空间是否大于新生代所以对象总空间。如果开启，在没有大于，会判定每次晋升老年代的平均大小是否超过，超过了就进行full gc，没开启也进行 full gc。

三、性能监控与故障处理工具

1.JDK的命令行工具(bin里面的程序都是对tools.jar的包装，实际实现都在jar内部)

1.1.jps：虚拟机进程状况工具—-可以列出正在运行的虚拟机进程，并显示虚拟机执行的主类名称以及唯一ID（LVMID） 如：jps -l：输出全部信息，-v：启动指定的参数列表

1.2.jstat：虚拟机统计信息监视工具—-显示类装载、内存等运行数据，非gui图形界面，定位虚拟机性能首选工具

jstat  option vmid interval count （option：-class，-gc，-gcutil等）
如：jstat -gc 2764  250 10 监控进程2764的gc情况，250毫秒查询一次查询20次

1.3.jinfo：Java配置信息工具—-实时查看和调整虚拟机各项参数 如：jinfo -flag CMSInitiatingOccupancyFraction 14032

1.4.jmap：Java内存映像工具—-生成堆转储快照文件（headdump） 如：jmap -dump:format=b,file=xx 14032

1.5.jhat:虚拟机堆转储快照分析工具—-与jmap配合使用分析jmap生成的快照 如：jhat xx，可以打开浏览器查看

1.6.jstack:Java堆栈跟踪工具—-生成当前时刻的线程快照，定位长时间停顿原因等 如：jstack -l 14032

1.7.HSIDS:JIT生成代码反汇编

2.JDK的可视化工具

2.1.JConsole：Java监视与管理控制台—-基于JMX的可视化工具

2.2.VisualVM：多合-故障处理工具–最强大的监视处理工具

可添加插件：工具->插件

四、调优案例分析与实战

1.在16GB内存上，分配了12GB的堆内存导致FullGc时间很长——使用集群来部署，一个应用2GB。或者能控制FullGc的频率很低

2.集群间同步导致内存溢出，网络情况不好的情况下，所有请求都在等待，导致内存溢出——不应当过于频繁的写操作

3.堆外内存导致溢出，使用nio，jni代码，这些使用的内存不在堆中，分配不大的情况，也不会自动gc，会导致溢出

4.外部命令导致系统缓慢，使用Runtime.getRuntime().exec()执行shell脚本，消耗很大，占用cpu。减少这种操作

5.服务器JVM进程崩溃，异步调用外部接口，外部系统缓慢拖累，导致等待线程增多，使用生产消费队列模式

五、类文件结构

1.无关性的基石

jvm仅仅要求是class文件，可以支持其他语言，能编译成class文件即可，例如JRuby，Groovy等

2.class类文件结构

2.1.Class文件以8位字节的二进制流，使用无符号数和表来存储数据

2.2.Class头4字节为魔数，确定文件是否是class文件。值为（0xCAFEBABE）后面4字节，5-6字节是次版本号，7-8是主版本号，jdk从45开始计算

2.3.常量池：跟在主次版本之后，使用2字节标识常量的数量，每一种常量都使用不同的表结构来存储，如：CONSTANT_Class_info 7 类或接口的符号引用，0x07：代表是class类型，class_info的结构是u1：tag，u2：name_index，每个常量表结构第一位都是u1标志位表示常量类型。

一般class方法、字段都引用CONSTANT_Utf8_info来描述，它的length是u2即：65535，所以定义不能超过64KB英文字符。

2.5.类索引，父类索引，接口索引：占位：类索引：u2，父类索引：u2（java只能单继承），接口索引：u2（表示计数器，接口的索引的个数），后面跟着计数个u2接口索引。索引就是去常量池中查找第n个常量

2.6.字段表集合：标志位：u2（同类的访问标志，定义变量的public，final等），

name_index：u2（字段的简单名称的常量池索引）比如：inc(), m简单名称：inc,m ，
descriptor_index：u2（字段和方法的描述符的常量池索引），描述符:描述字段的数据类型(使用标识字符：byte用B，对象用L)，方法的参数列表和返回值，如：String[][] 描述符：[[Ljava/lang/String，void inc(int num)描述符:(I)V
attributes_count：u2（标识额外信息的个数）
attributes:额外信息

2.7.方法表集合：同上已做了说明，方法内部的代码会放在attributes一个code的属性里面。如果没有重写父类方法，方法集合表是不会出现的

2.8.属性表集合：属性名称：u2（常量池的索引），属性的长度：u4，属性的内容

常见属性：

Code：程序方法体中的代码经过编译变成字节码指令存储在Code属性。其中有max_stack（u2）:操作数栈深度的最大值
Exceptions：列举出方法中可能抛出的受查异常（throws 后面的异常）

3.字节码指令简介

3.1.jvm的指令有一个字节长度的、代表某种特定操作含义的数字（操作码）以及随后0-n个代表此操作所需参数（操作数）构成 一个字节限制了操作码总数不能超过256个

3.2.加载和存储指令：

iload、fload等：将一个数值从局部变量表加载到操作数栈
istore、fstore等：将一个数值从操作数栈存储到局部变量表
bipush、ldc、lconst等：常量加载到操作数栈

3.3.运算指令：

iadd（加法），isub（减法），imul（乘法），idiv（除法），irem（求余），ineg（取反），ishl（位移），ior（按位或），iand（按位与），ixor（按位异或），iinc（局部变量自增），dcmpg（比较）

3.4.类型转换指令

窄化类型转换时，必须显式的使用转换指令完成。i2b、i2c、i2s、l2i等

3.5.对象创建和访问指令

new：创建实例，newarray、anewarray创建数组，
getfield、putfield，getstatic，putstatic：访问类字段和实例字段，
baload、caload等：数组元素加载到操作数栈，bastore、castore等：将一个操作数存储到数组元素

3.6.操作数栈管理指令

pop、pop2：将操作数栈的栈顶一个或两个元素出栈
swap：将栈最顶端两个数值交换

3.7.控制转移指令

ifeq、iflt、ifnull、if_icrmplt等：条件分支
tableswitch、lookupswitch：复合条件分支
goto、jsr、ret：无条件分支

3.8.方法调用和返回指令

invokevirtual：调用对象的实例方法，根据对象的实际类型进行分派
invokeinterface：调用接口方法，在运行时搜索一个实现方法进行调用
invokestatic：调用类方法（static方法）
ireturn、lreturn等：方法返回

3.9.异常处理指令

athrow：显示抛出异常的操作（throw语句）

3.10.同步指令

monitorrenter、monitorrexit：支持synchronized关键字的语义

六、虚拟机类加载机制

未完待续