Java语言: JVM

1.1 内存管理

1.1.1 JVM内存区域

编号	名字	功能	备注
1	堆	主要用于存放新创建的对象 (所有对象都在这里分配内存)	jdk1.8之后永久代被替换成为了元空间（Metaspace）
2	方法区(加、常、静、即)	被虚拟机加载的类信息(版本、字段、方法、接口)、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据（加常静即）	运行时常量池是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有常量池信息（用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用）方法中的基本类型本地变量将直接存储在工作内存的栈帧结构中；
3	虚拟机栈（线程私有）（动、方、操、局）	动态链接，方法出口，操作数栈，局部变量表（动方操局）	每个 Java 方法在执行的同时会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、常量池引用等信息。从方法调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在 Java 虚拟机栈中入栈和出栈的过程。
4	本地方法栈（线程私有）		区别是： 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法 （也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。 在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一。
5	程序计数器（线程私有）		程序计数器主要有下面两个作用：（1）字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。在多线程的情况下，（2）程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。

1.2 垃圾回收机制

1.2.1 对象已死判断

（1）引用计数法

给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它，计数器就加 1；当引用失效，计数器就减 1；任何时候计数器为 0 的对象就是不可能再被使用的。这个方法实现简单，效率高，但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存，其最主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。

（2）可达性分析

这个算法的基本思想就是通过一系列的称为GC Roots的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，节点所走过的路径称为引用链，当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连的话，则证明此对象是不可用的。

（3）强引用、软引用、弱引用、虚引用

• 强引用：我们使用的大部分引用实际上都是强引用，这是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那就类似于必不可少的生活用品，垃圾回收器绝不会回收它。当内存空 间不足，Java 虚拟机宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足问题。
• 软引用：如果内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它，如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。
• 弱引用：弱引用与软引用的区别在于：只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它 所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程， 因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。弱引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java 虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。
• 虚引用：与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收。

1.2.2 垃圾回收算法

（1）复制算法

为了解决效率问题，“复制”收集算法出现了。它可以将内存分为大小相同的两块，每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后，就将还存活的对象复制到另一块去，然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的一半进行回收。

（2）标记清除

该算法分为“标记”和“清除”阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象。它是最基础的收集算法，后续的算法都是对其不足进行改进得到。这种垃圾收集算法会带来两个明显的问题：

效率问题

空间问题（标记清除后会产生大量不连续的碎片）

（3）标记整理

根据老年代的特点特出的一种标记算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象回收，而是让所有存活的对象向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

（4）新生代和老年代

根据对象存活周期的不同将内存分为几块。一般将 java 堆分为新生代和老年代，这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。比如在新生代中，每次收集都会有大量对象死去，所以可以选择复制算法，只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。而老年代的对象存活几率是比较高的，而且没有额外的空间对它进行分配担保，所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集。

分代收集算法（HotSpot 虚拟机 GC 采用分代收集算法）

根据对象存活周期的不同，将内存划分为几块。一般是把 Java 堆分为新生代和老年代，根据年代的特点来选择最佳的收集算法。

• 新生代：复制算法
• 老年代：标记-整理算法

堆大小=新生代+老年代（默认分别占堆空间为1/3、2/3），新生代又被分为Eden、from survivor、to survivor（默认8:1:1）

这样划分是为了更好的管理堆内存中的对象，方便 GC 算法来进行垃圾回收。

对象的分配通常在 Eden 中（大对象（需要大量连续内存空间的 Java 对象，如很长的字符串或数据）直接进入老年代，-XX:PretenureSizeThreshold）。

当 Eden 区满后，会触发 Minor GC，把 Eden 区和 from survivor 区中存活的对象进行转移，其中到达年龄（经过多次Minor GC）的会被放入老年代，未到达年龄的放入 to survivor 区。

然后清空 Eden 区和 from survivor 区，交换 from survivor 与 to survivor 的名字。

若存活对象大于 to survivor 区容量，则会被直接放入老年代。若打开了自适应（-XX:+AdaptiveSizePolicy），GC会自动重新调整新生代大小。

若老年代满了，则触发 Full GC。

（5）Minor GC vs Major GC/Full GC：

• Minor GC：回收新生代（包括 Eden 和 Survivor 区域），因为 Java 对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以 Minor GC 非常频繁，一般回收速度也比较快。
• Major GC / Full GC: 回收老年代，出现了 Major GC，经常会伴随至少一次的 Minor GC，但这并非绝对。Major GC 的速度一般会比 Minor GC 慢 10 倍 以上。

在 JVM 规范中，Major GC 和 Full GC 都没有一个正式的定义，所以有人也简单地认为 Major GC 清理老年代，而 Full GC 清理整个内存堆。

1.2.3 垃圾回收器

编号	回收器	算法	步骤	备注
1	Serial 收集器（串行）			单CPU的client模式
2	ParNew 收集器（并行）			它是许多运行在Server 模式下的虚拟机的首要选择，除了 Serial 收集器外，只有它能与 CMS 收集器配合工作。
3	Parallel Scavenge 收集器（并行）			（吞吐量）Parallel Scavenge 收集器关注点是吞吐量（高效率的利用 CPU），后台运行不需要太多交互
4	Serial Old 收集器（串行）			单CPU的client模式，和CMS配合
5	Parallel Old 收集器（并行）			（吞吐量）后台运行不需要太多交互
6	CMS 收集器（并发）		（1）初始标记 （2）并发标记（混合） （3）重新标记 （4）并发清除（混合）	CMS 等垃圾收集器的关注点更多的是用户线程的停顿时间（提高用户体验），集中使用在互联网或者B/S系统服务端
7	G1 收集器（并发）			面向服务端，将来替换CMS

1.2.4 FULL GC时机

情况	分类
旧生代空间不足	旧生代空间只有在新生代对象转入及创建为大对象、大数组时才会出现不足的现象，当执行Full GC后空间仍然不足，则抛出如下错误： java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 为避免以上两种状况引起的FullGC，调优时应尽量做到让对象在Minor GC阶段被回收、让对象在新生代多存活一段时间及不要创建过大的对象及数组。
Permanet Generation空间满	PermanetGeneration中存放的为一些class的信息等，当系统中要加载的类、反射的类和调用的方法较多时，Permanet Generation可能会被占满，在未配置为采用CMS GC的情况下会执行Full GC。如果经过Full GC仍然回收不了，那么JVM会抛出如下错误信息： java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 为避免Perm Gen占满造成Full GC现象，可采用的方法为增大Perm Gen空间或转为使用CMS GC。
CMS GC时出现promotion failed和concurrent mode failure	对于采用CMS进行旧生代GC的程序而言，尤其要注意GC日志中是否有promotion failed和concurrent mode failure两种状况，当这两种状况出现时可能会触发Full GC。 promotionfailed是在进行Minor GC时，survivor space放不下、对象只能放入旧生代，而此时旧生代也放不下造成的；concurrent mode failure是在执行CMS GC的过程中同时有对象要放入旧生代，而此时旧生代空间不足造成的。 应对措施为：增大survivorspace、旧生代空间或调低触发并发GC的比率，但在JDK 5.0+、6.0+的版本中有可能会由于JDK的bug29导致CMS在remark完毕后很久才触发sweeping动作。对于这种状况，可通过设置-XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime=5（单位为ms）来避免。
统计得到的Minor GC晋升到旧生代的平均大小大于旧生代的剩余空间	这是一个较为复杂的触发情况，Hotspot为了避免由于新生代对象晋升到旧生代导致旧生代空间不足的现象，在进行Minor GC时，做了一个判断，如果之前统计所得到的Minor GC晋升到旧生代的平均大小大于旧生代的剩余空间，那么就直接触发Full GC。 例如程序第一次触发MinorGC后，有6MB的对象晋升到旧生代，那么当下一次Minor GC发生时，首先检查旧生代的剩余空间是否大于6MB，如果小于6MB，则执行Full GC。 当新生代采用PSGC时，方式稍有不同，PS GC是在Minor GC后也会检查，例如上面的例子中第一次Minor GC后，PS GC会检查此时旧生代的剩余空间是否大于6MB，如小于，则触发对旧生代的回收。 除了以上4种状况外，对于使用RMI来进行RPC或管理的Sun JDK应用而言，默认情况下会一小时执行一次Full GC。可通过在启动时通过- java-Dsun.rmi.dgc.client.gcInterval=3600000来设置Full GC执行的间隔时间或通过-XX:+ DisableExplicitGC来禁止RMI调用System.gc。
手动调用System.gc()方法	System.gc() 建议JVM进行Full GC，虽然只是建议，但是很多情况下还是会触发Full GC，建议能不使用此方法就别使用，让虚拟机自己去管理它的内存，可通过通过-XX:+ DisableExplicitGC来禁止RMI调用System.gc()。

1.3 类加载机制

1.3.1 类文件结构

魔文常访当字方属

编号	数据	解释
1	魔数	每个 Class 文件的头四个字节称为魔数（Magic Number）,它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接收的 Class 文件。
2	Class文件版本	高版本的 Java 虚拟机可以执行低版本编译器生成的 Class 文件，但是低版本的 Java 虚拟机不能执行高版本编译器生成的 Class 文件。所以，我们在实际开发的时候要确保开发的的 JDK 版本和生产环境的 JDK 版本保持一致。
3	常量池	常量池主要存放两大常量：字面量和符号引用。字面量比较接近于 Java 语言层面的的常量概念，如文本字符串、声明为 final 的常量值等。javap -v *.class查看
4	访问标志	在常量池结束之后，紧接着的两个字节代表访问标志，这个标志用于识别一些类或者接口层次的访问信息，包括：这个 Class 是类还是接口，是否为 public 或者 abstract 类型，如果是类的话是否声明为 final 等等。
5	当前类索引，父类索引和接口索引集合	类索引用于确定这个类的全限定名，父类索引用于确定这个类的父类的全限定名，由于 Java 语言的单继承，所以父类索引只有一个，除了 java.lang.Object 之外，所有的 java 类都有父类，因此除了 java.lang.Object 外，所有 Java 类的父类索引都不为 0。接口索引集合用来描述这个类实现了那些接口，这些被实现的接口将按implents(如果这个类本身是接口的话则是extends) 后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中。
6	字段表集合	字段表（field info）用于描述接口或类中声明的变量。字段包括类级变量以及实例变量，但不包括在方法内部声明的局部变量。
7	方法表集合	Class 文件存储格式中对方法的描述与对字段的描述几乎采用了完全一致的方式。方法表的结构如同字段表一样，依次包括了访问标志、名称索引、描述符索引、属性表集合几项。
8	属性表集合	在 Class 文件，字段表，方法表中都可以携带自己的属性表集合，以用于描述某些场景专有的信息。与 Class 文件中其它的数据项目要求的顺序、长度和内容不同，属性表集合的限制稍微宽松一些，不再要求各个属性表具有严格的顺序，并且只要不与已有的属性名重复，任何人实现的编译器都可以向属性表中写 入自己定义的属性信息，Java 虚拟机运行时会忽略掉它不认识的属性。

1.3.2 对象的创建过程

加分初设执, 双亲委派模型

（1）类加载检查

虚拟机遇到一条 new 指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载过、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。

类加载过程（加验准解初）

• 加载 protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)是线程安全的！
  • 通过全类名获取定义此类的二进制字节流
  • 将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构
  • 在内存中生成一个代表该类的Class 对象,作为方法区这些数据的访问入口
• 验证（文元字符）
  • 文件格式验证
  • 元数据验证
  • 字节码验证
  • 符号引用验证
• 准备：准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段
• 解析：解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用限定符7类符号引用进行。
• 初始化：初始化是类加载的最后一步，也是真正执行类中定义的 Java 程序代码(字节码)，初始化阶段是执行类构造器 <clinit> ()方法的过程。

加载器

• BootstrapClassLoader(启动类加载器) ：最顶层的加载类，由C++实现，负责加载 %JAVA_HOME%/lib目录下的jar包和类或者或被 -Xbootclasspath参数指定的路径中的所有类。
• ExtensionClassLoader(扩展类加载器) ：主要负责加载目录 %JRE_HOME%/lib/ext 目录下的jar包和类，或被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径下的jar包。
• AppClassLoader(应用程序类加载器) :面向我们用户的加载器，负责加载当前应用classpath下的所有jar包和类。

每一个类都有一个对应它的类加载器。系统中的 ClassLoder 在协同工作的时候会默认使用 双亲委派模型 。即在类加载的时候，系统会首先判断当前类是否被加载过。已经被加载的类会直接返回，否则才会尝试加载。加载的时候，首先会把该请求委派该父类加载器的 loadClass() 处理，因此所有的请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器 BootstrapClassLoader 中。当父类加载器无法处理时，才由自己来处理。当父类加载器为null时，会使用启动类加载器 BootstrapClassLoader 作为父类加载器。

双亲委派模型保证了Java程序的稳定运行，可以避免类的重复加载（JVM 区分不同类的方式不仅仅根据类名，相同的类文件被不同的类加载器加载产生的是两个不同的类），也保证了 Java 的核心 API 不被篡改。如果不用没有使用双亲委派模型，而是每个类加载器加载自己的话就会出现一些问题，比如我们编写一个称为 java.lang.Object 类的话，那么程序运行的时候，系统就会出现多个不同的 Object 类。

（2）分配内存

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。分配方式有 “指针碰撞” 和 “空闲列表”两种，选择那种分配方式由 Java 堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

（3）初始化零值

内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），这一步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

（4）设置对象头

（元数据信息，对象的哈希码，对象的GC分代信息）

初始化零值完成之后，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是那个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的 GC 分代年龄等信息。 这些信息存放在对象头中。 另外，根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

（5）执行init方法

在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从 Java 程序的视角来看，对象创建才刚开始，<init> 方法还没有执行，所有的字段都还为零。所以一般来说，执行 new 指令之后会接着执行 <init> 方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

1.4 内存模型与线程

1.4.1 JMM概述

Java内存模型简称JMM（Java Memory Model），是Java虚拟机所定义的一种抽象规范，用来屏蔽不同硬件和操作系统的内存访问差异，让java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

具体说来，JVM中存在一个主存区（Main Memory或Java Heap Memory），对于所有线程进行共享，而每个线程又有自己的工作内存（Working Memory，实际上是一个虚拟的概念），工作内存中保存的是主存中某些变量的拷贝，线程对所有变量的操作并非发生在主存区，而是发生在工作内存中，而线程之间是不能直接相互访问的，变量在程序中的传递，是依赖主存来完成的。

JMM描述的是一组规则，围绕原子性、有序性和可见性展开；

线程只能直接操作工作内存中的变量，不同线程之间的变量值传递需要通过主内存来完成。

操作：

• lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占的状态。
• unclock（解锁）：作用于主内存的变量，把一个处于锁定的状态释放出来。
• read（读取）：作用于主内存的变量，把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中
• load（载入）：作用于工作内存的变量，把read操作从主内存 得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
• use（使用）：作用于工作内存的变量，把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的 值的字节码指令时将会执行这个操作。
• assign（赋值）：作用于工作内存的变量，把一个从执行引擎接收到的值 赋值给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变 量赋值的字节码指令时执行这个操作。
• store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传递到主内存，以便write操作使用。
• write（写入）：作用于主内存的变量，把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

1.4.2 内存模型三大特性

（1）原子性

Java 内存模型保证了 read、write、load、use、assign、store、lock 和 unlock 操作具有原子性

（2）可见性

可见性指当一个线程修改了共享变量的值，其它线程能够立即得知这个修改。Java 内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值来实现可见性的。JMM 内部的实现通常是依赖于所谓的内存屏障，通过禁止某些重排序的方式，提供内存可见性保证，也就是实现了各种 happen-before 规则。与此同时，更多复杂度在于，需要尽量确保各种编译器、各种体系结构的处理器，都能够提供一致的行为。

（3）有序性

有序性是指：在本线程内观察，所有操作都是有序的。在一个线程观察另一个线程，所有操作都是无序的，无序是因为发生了指令重排序。在 Java 内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。

1.5 JDK监控和故障处理工具

故障排查：https://www.cnblogs.com/stateis0/p/9062196.html

线上 CPU 飚高问题大家应该都遇到过，那么如何定位问题呢？

思路：首先找到 CPU 飚高的那个 Java 进程，因为你的服务器会有多个 JVM 进程。然后找到那个进程中的 “问题线程”，最后根据线程堆栈信息找到问题代码。最后对代码进行排查,如何操作呢？

• 通过 top 命令找到 CPU 消耗最高的进程，并记住进程 ID。
• 再次通过 top -Hp [进程 ID] 找到 CPU 消耗最高的线程 ID，并记住线程 ID.
• 通过 JDK 提供的 jstack 工具 dump 线程堆栈信息到指定文件中。具体命令：jstack -l [进程 ID] >jstack.log。
• 由于刚刚的线程 ID 是十进制的，而堆栈信息中的线程 ID 是16进制的，因此我们需要将10进制的转换成16进制的，并用这个线程 ID 在堆栈中查找。使用 printf "%x\n" [十进制数字] ，可以将10进制转换成16进制。
• 通过刚刚转换的16进制数字从堆栈信息里找到对应的线程堆栈。就可以从该堆栈中看出端倪。

编号	工具	解释	用法
1	jps	(JVM Process Status）: 类似 UNIX 的 ps 命令。用户查看所有 Java 进程的启动类、传入参数和 Java 虚拟机参数等信息；
2	jinfo	(Configuration Info for Java) : Configuration Info forJava,显示虚拟机配置信息;	（1）jinfo -flag MaxHeapSize
3	jstat	(JVM Statistics Monitoring Tool): 用于收集 HotSpot 虚拟机各方面的运行数据;
4	jmap	(Memory Map for Java) :生成堆栈储快照;	（1）可以使用-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError代替
5	jhat	(JVM Heap Dump Browser ) : 用于分析 heapdump 文件，它会建立一个 HTTP/HTML 服务器，让用户可以在浏览器上查看分析结果;
6	jstack	(Stack Trace for Java):生成虚拟机当前时刻的线程快照，线程快照就是当前虚拟机内每一条线程正在执行的方法堆栈的集合。
7	jconsole
8	javap	查看字节码