JVM整体分析篇

JVM的组成部分

1. 类装载子系统：将磁盘文件加载到运行时数据区的方法区
2. 运行时数据区：常说的JVM内存区
3. 执行引擎：将字节码翻译成底层指令交给CPU执行
4. 本地库接口：执行引擎需要借助本地库接口实现将指令交给CPU执行

1.类装载子系统

1.1一个类加载到JVM的过程

加载：将磁盘上的字节码文件通过IO读入方法区
验证：验证字节码格式正确性
准备：类的静态变量赋值默认值，分配内存
解析：符号引用替换为直接引用（静态方法执行内存所在的指针）
初始化：对类的静态变量赋值指定值，执行静态代码块

1.2类加载机制

双亲委派机制：类加载时先判断自己有没有加载过，如果没有加载就委派父类执行同样的过程，如果父类没有加载不到在执行自行加载
类加载器：

• 引导类加载器
• 扩展类加载器
• app类加载器

类加载器定义：在Java代码的Lancher类中构建了扩展类加载器和app类加载，父子关系也是在这里构建，引导类加载器在C中构建的，所以在Java中体现就是null

1.3为什么设计双亲委派机制

沙箱安全机制：jdk中的类不能被程序员修改
避免类的重复加载：一个类只会被一个加载器加载一次

1.4怎么打破双亲委派机制

重新类加载方法，判断如果是自定义类，就指定自定义类加载器加载，如果不是就使用原来的机制。

2.运行时数据区

2.1线程私有及共享

私有：栈、本地方法栈、程序计数器
共享：堆、方法区

2.2JVM内存区结构

程序计数器：记录着当前线程的程序执行位置
本地方法栈：虚拟机调用native方法
栈：局部变量表（存局部变量）、操作数栈（供变量计算）、动态链接(将方法指向内存中真正的方法指针)、方法出口
堆：几乎所有的对象都在这里分配
方法区：用于存储加载后的类信息、常量、静态变量、编译后的代码

2.3JVM参数设置经验

线程栈：-Xss 每个线程栈的大小，这个参数越小，那么一个线程运行的方法就越少，而虚拟机内部运行的线程数变多
堆：尽量指定堆的大小参数一致避免扩容；分析对象在内存中的分布尽量让对象在年轻代被回收减少full gc次数。
（方法区）元空间：元空间默认为21m，元空间满了之后会触发full gc，所以尽量设置值

3.Java对象的生命周期

3.1.对象的创建

• 类加载检查：当遇到new关键字时，先判断常量池中能否找到类的符号引用
• 分配内存：对象所需的内存，在类加载后就能确定。直接为对象分配确定大小的内存
• 初始化零值：程序能访问的数据，设置对应字段的零值
• 设置对象头：对象头包含：Mark word,Klass pointer（对象执行类元信息的指针）
• 执行Init方法：按照程序员的意愿进行属性的赋值，和执行构造方法

3.2.对象大小的计算（64位）

对象头 ：

• （header）Markword:8字节
• Klass pointer:开启指针压缩（默认开启）4字节

对象数据：

• 基本数据类型：占数据类型大小
• 对象、字符串（引用指针）：开启指针压缩 4字节
• 数组：数组长度 4 字节（只要是数组，不区分数组的类型）

对象填充：

• 保证对象大小是8的倍数，不够时填充

3.3.对象在内存上的分配

对象在栈上分配：栈上分配依赖与逃逸分析和标量替换。

• 逃逸分析：分析对象作用域，是否只在本地方法使用，无外部引用
• 标量替换：栈上没有大块连续的内存，所以JVM不会直接创建对象，而是将成员变量分解为被方法使用的变量，存在栈帧寄存器

对象在堆上分配：

• Eden区：正常对象放在Eden区
• 老年代：对象满足一定条件会分配到老年代

大对象：超过JVM设置的大对象参数值
长期存活对象：经过多次minorGC后存活的对象
对象动态年龄判断：一批对象的总大小超过survivor区域内存大小的50%。那最大年龄的一批对象进入老年代。
老年代空间分配担保：老年代的可用空间小于年轻代所有对象之和

3.4.对象的回收

1.回收那些对象？

• 引用计数法：对象存在引用，计数+1，引用消失计数减1，不能判断互相引用
• 可达性分析算法：从GCRoots节点向下搜索引用的对象，未被标记到的是垃圾对象
  2.GC Roots对象：本地方法栈变量、静态变量（局部变量和全局变量即类中定义的变量）
  3.常见的引用类型：
• 强引用：普通变量引用
• 弱引用：弱引用类型对象包裹
• 软引用：软引用对象包裹
• 虚引用：最弱的引用关系

4.垃圾收集器和收集算法

4.1分代收集理论：

• 根据年龄带不同，选择不同的垃圾收集算法

4.2垃圾收集算法：

• 标记复制：将存活的对象复制到另一个区域（适合年轻代S0,S1）
• 标记清楚：标记垃圾对象清除（或者反过来）会产生内存碎片
• 标记整理：同标记清楚，只是垃圾对象清除后会整理内存空间（适合来年代）

4.3 Serial：（需要STW）

单线程收集器，进行垃圾收集工作时需要暂停其它所有工作线程

4.4 Serial Old：

和Serial收集器一样，一个用于年轻代，一个用于老年代

4.5 Paralle：（需要STW）

多线程收集器，进行垃圾收集工作时由多个线程进行

4.6 Paralle Old：

和Paralle收集器一样，但是Paralle用于年轻代，Paralle Old用于老年代

4.7ParNew:

多线程收集器，和Paralle相同，但是ParNew可以和CMS收集器配合使用

4.8 CMS:

第一次基本上实现了用户线程和垃圾收集线程同时工作
工作过程：

• 初始标记：通过GCRoots查找引用对象，速度很快。需要STW
• 并发标记：通过GCRoots直接引用对象查找其它的引用，可以和用户线程同时运行
• 重新标记：重新标记是为了修正并发标记阶段用户线程导致的对象变动，主要用到了三色标记
• 并发清理：用户线程和垃圾收集线程同时运行，回收垃圾对象
• 并发重置：重置本次GC过程中标记的对象

4.9 垃圾收集算法底层实现:

三色标记：

• 黑色：对象存活，且所有关系都已经扫描
• 灰色：至少有一个引用对象未扫描
• 白色：分析开始阶段都是白色，如果分析结束对象仍然是白色，代表对象是垃圾对象
  漏标对象处理：
• 增量更新：当一个黑色对象插入新的引用指向一个白色对象时，先将引用记录保存。等并发标记结束后，重新扫描。
• 原始快照（SATB）：当一个灰色对象删除一个指向白色对象时，将要删除的引用记录下来

增量跟新和原始快照中记录的引用，通过写屏障实现
写屏障：在赋值前（赋值对象引用，或赋值引用null）后，加入一些处理

4.10 记忆集和卡表：

当涉及跨代对象引用会收时，不直接扫描跨代区域，而是引入卡表。将存在跨代指针的对象所在卡页（卡表中的元素）表示为1，表示该元素变脏，GC时只收集卡表变脏的元素加入GCRoots中

4.11 G1垃圾收集器：

概念： 面向服务器的垃圾收集器，主要针对多核大容量内存的机器
区域划分： G1保留了年轻代和来年代的概念，但是没有物理上的隔阂。针对于大对象存放，G1增加了Humongous区专门放大对象。G1收集器将堆划分为大小相等的独立区域Region，Region默认大小是堆内存的1/2048，可以使用参数指定。
垃圾收集分类：

• Young GC: 不同于其它收集器，在Eden区满了就做Young GC,而不是先判断当前Eden区满了后所做GC花费的时间，如果还不够设置的停顿时间，设置更多的Region为Eden区，直到下次满了之后时间也符合。
• Mixed GC:老年代的堆占有率达到参数设置时触发，回收所有的Young和部分Old以及大对象区，G1垃圾收集器优先做Mixed GC在回收对象时采用复制方法，如果剩余的Region不足以复制，就会产生Full GC.
• Full GC：停止程序采用单线程标记、清理、压缩
  G1调优关键参数：调节-XX:MaxGCPauseMills GC停顿时间设置

4.12 ZGC：

特点：基于内存布局，暂停时不设置分代
区域划分：

• 小型Region：固定2M，用于放置小于256k的小对象
• 中型Region：固定32M
• 大型Region：容量不固定，可以动态变化

4.13 如何选择垃圾收集器？

总结：.如果内存小于100M使用Serial，如果内存小于4G可以使用paralle,内存介于4-8G可以用ParNew+CMS
8G以上可以用G1，几百G以上用ZGC