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背景介绍

jvm已经是Java开发的必备技能了，jvm相当于Java的操作系统。 JVM,java virtual machine, 即Java虚拟机，是运行java class文件的程序。 Java代码经过Java编译器编译，会编译成class文件，一种平台无关的代码格式，class文件按照jvm规范，包括了java代码运行所需的元数据和代码等内容。jvm加载class文件后，就可以执行java代码了。 JVM有不同的实现，有我们熟悉的Hotspot虚拟机，JRockit等。在各个操作系统上，又回有各自的虚拟机实现，从而形成了Java代码 > class文件 > JVM规范 > JVM实现的层次。再加上其他语言如scala、groovy也能够生成class文件，这样不仅实现了平台无关性，也实现了语言无关性。

JVM体系，分为JVM内存结构，Class文件结构，Java ByteCode，垃圾收集算法和实现，调优和监控工具，以及Java内存模型(JMM)。

JVM内存结构

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通常，认为大概分为线程共享的区域和线程私有的区域。共享区域在JVM启动时创建， 私有区域伴随这线程的启动和结束。

私有区域

一个线程拥有的结构有

● 程序计数器(Program Counter, PC)

Java天生支持多线程，多线程会有线程切换的问题，当一个线程从可运行状态得到CPU调度进入运行状态，CPU需要知道从哪里开始执行，并且Java是一种基于栈的执行架构(区别于基于寄存器的架构)。当执行一个Java方法时，PC会指向下一条指令的位置。执行native方法时，PC是未定义。操作指令可能会有0个或多个操作数。JVM的执行流程大概可以描述为:

● Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)

Java虚拟机栈，或者叫方法栈，会伴随这方法的调用和返回进行相应的入栈和出栈。栈的元素是栈帧(Stack Frame), 栈帧中的内容包括: 操作数栈，本地变量表，动态链接等信息。当线程调用一个方法的时候，会组装对应的栈帧入栈。

● 本地变量表(Local Variable Table)

本地变量表存储方法的参数、方法内部创建的局部变量。本地变量表的大小在编译时就确定了。本地变量表会根据变量的作用范围选择重用一个位置。本地变量表会存放 int,char,byte,float,double,long,address(实例引用)。其中除了double和long其他变量占用一个slot,一个slot指一个抽象的位置，在32位虚拟机中是32bit大小， double和long占用两个slot。 值得注意的时，如果一个方法是实例方法，Java编译器会将this作为第一个参数传入本地变量表。另外Java中面向对象，方法调用可以这样理解

操作数栈

操作数栈用于方法内执行保存中间结果，Java方法中的代码逻辑就是通过操作数栈来实现的。和本地方法表一样，操作数栈也是在编译时就确定最大大小了，即最大深度。操作数栈可以和本地变量表交互，进行数据的存放和读取。下面用一个简单的例子展示一下。

这个实例方法经过Java编译器编译后生成的字节码

线程共享区域

● 堆(Heap区)

创建的对象（包括普通实例和数组)都分配在Heap区（不考虑一些虚拟机的栈上分配优化技术)。在细分的话，一般还分成年轻代和老年代。这是基于这样一个类似28原理的统计，90%多的对象都是很快成为垃圾的对象。所以化为成两个区域，分别使用不同的收集算法，年轻代的收集频率更高，所需空间也相对较小。内存分配时，多个线程会有并发问题，主要通过两种方式解决:1.CAS加上失败重试分配内存地址。2. TLAB, 即Thread Local Allocation Buffer, 为每个线程分配一块缓冲区域进行对象分配。年轻代还可以分为两个大小相等的Survivor和一个Eden区域。对象在几种情况下会进入老年代:1. 大对象，超过Eden大小或者PretenureSizeThreshold. 2. 在年轻代的年龄(经历的GC次数）超过设定的值的时候 3. To Survivor存放不下的对象

● 方法区

方法区存放加载的类信息和运行时常量池等。

垃圾收集(Garbage Collect)

Java中不需要对内存进行手动释放，JVM中的垃圾回收器帮助我们回收内存。

● 何时进行收集

一般来说，当某个区域内存不够的时候就会进行垃圾收集。如当Eden区域分配不下对象时，就会进行年轻代的收集。还有其他的情况，如使用CMS收集器时配置CMSInitalize

● 如何判断一块内存是垃圾

即判断一个对象不再使用，不再使用可以是没有有效的引用。 一般来说，主要有两种判断方式

● 引用计数

当有对象引用自身时，就会计数器加1，删除一个引用就减一，当计数为0时即可判断为垃圾。python等语言使用引用计数。引用计数存在循环引用问题，如两个落单的A和B互相引用，但是没有其他对象指向它们这种情况。

● 可达性分析

通过一些根节点开始，分析引用链，没有被引用的对象都可以被标记为垃圾对象。根节点是方法栈中的引用、常量等。

垃圾收集算法

● 标记清除(Mark Sweep)

对非垃圾对象进行标记都，清除其他的对象。这种方式对对内存空间造成空隙，即内存碎片，最终导致有空余空间，但没有连续的足够大小的空间分配内存。

● 标记整理(Mark Compact)

标记非垃圾对象后，将这些对象整理好，排列到内存的开始位置。这样内存就是整齐的了。但是因为会造成对象移动，所以效率会有降低。

● 标记清除整理(Mark Sweep Compact)

即组合两种方式，在若干次清除后进行一次整理。

● 复制(Copy)

划分成两个相同大小的区域，收集时，将第一个区域的活对象复制到另一个区域，这样不会有内存碎片问题。但是最多只能存放一半内存。

垃圾收集器

垃圾收集器就是垃圾收集算法的相应实现。

● Serial New

新生代单线程的收集器，是Client模式默认的垃圾收集器

● Parallel New

Serial New的多线程版本。ParNew常和CMS拉配使用。这里说明一些Parallel和Concurrent即并行和并发在垃圾收集这里的表示的不同，并行表示有多个线程同时进行垃圾收集，并发是指垃圾收集线程和应用线程可以并发执行。

● Parallel Scanvenge

PS收集器是注重吞吐量（ThroughPut）的收集器。

● Serial Old。

老年代的单线程收集器

● Parallel Old

Serial Old的多线程版本，由于Parallel Scavenge不能和CMS搭配使用，所以会是使用PS时的一种选择。

● CMS （Concurrent Mark Sweep)

注重延迟latency的收集器，在交互式应用中，如面向用户的web应用，需要尽可能减少垃圾收集造成的停顿时间。在总的统计上，吞吐量可能没有PS收集器高。 细分上，CMS还分为4个阶段：

1.初始标记，标记GC Root可以直达的对象。STW

2.并发标记，从第一步标记的对象开始，进行可达性分析遍历，和应用线程并发执行。

3.重新标记，SWT，修正上一阶段并发执行造成的引用变化。

4.并发清除，并发的清除垃圾 CMS使用标记清除算法，所以有内存碎片问题，可能设置参数在进行若干次不带整理的收集后进行一次带整理（compact)的收集。另外，因为垃圾收集是和应用线程并发执行的，在收集的同时可能还会有垃圾不断产生，即产生了浮动垃圾。另外还需要预留出一定空间，到达这个值后进行收集，但是还会有收集速度赶不上生产的速度，这时就会出现Concurrent Mode Failure,CMS会退化成Serial Old进行GC。

● G1 （Garbage First）

具有大内存收集和目标效率时间等控制能力，目标是代替CMS。G1通过将内存划分成不同的区域(Region),并对不同区域计算分数，分析那个Region最具有收集价值。

一些JVM的GC参数

常用的参数设置有：

● -Xms=4g -Xmx=4g 设置Java堆的初始大小和最大大小均为4g，即避免了堆大小调整● -Xmn=1g 设置年轻代的总大小为1g● -SurvivorRatio=8, 设置Eden和一个Survivor的比例为8:1● -XX:+PringGCDetails

堆外内存(Non Heap)

Nio中的DirectByteBuffer就是堆外内存的一部分，这部分内存只能通过Full Gc进行清理。一些框架会通过System.gc调用手动触发gc，但是在启动参数中可能设置了禁止调用System.gc()。另外当设置堆过大时可能会造成堆外内存不够导致OOM。

监控工具

监控工具帮助我们在运行时或问题发生后分析现场，分析内存分布状态，哪里导致内存泄漏等（本该被释放的对象仍然被引用)。

命令行工具

HotspotJVM的bin目录下有很多可用的工具。

● jps

即java版的ps，可以查看当前用户启动了哪些java进程。

● jstat

pid指jps命令查看的java进程号

jstat是一个多种用途的工具，更多需要man jstat或直接输入jstat查看提示。

● jmap

jmap可以查看内存状况

● jstack

查看Java线程状况

● javap (Java Printer)

javap 可以用可读的方法查看class文件内容，在遇到线上class文件问题，如NoSucheMethodError发生时，可以快速进行判断分析。如分析一个A.class文件，查看它的私有方法和字段。

可视化工具

● JVisualVM

● $JAVA_HOME/bin/jvisualvm

● JMC

● $JAVA_HOME/bin/jmc

● JConsole

● $JAVA_HOME/bin/jconsole

Class文件结构

Java编译器将Java代码编译成class文件格式。 其中步骤包括了我们熟悉的词法分析将源文件转换成token流。语法分析将token流转换成抽象语法树(AST)。语义分析分析语义是否正确。源代码优化。目标代码生成和目标代码优化等步骤。最终得到了class文件。之后在虚拟机中，class文件可以通过解释器解释执行和通过即时编译器(JIT-just in time)编译成native代码执行两种方式执行。 class文件是有严格定义的。符合定义的class文件才能够被JVM加载、验证、初始化、执行。 我们通过javap可以查看一个class文件的内容。 Class文件可以分为以下几个部分：

● Magic Number (0xCAFEBABY)

● minor version, major version 如 0x0033 代表 00,51, 是java8版本

●constant pool 常量池，常量池中包括了字段、方法、类的名称的符号引用，符号引用会在运行时经过链接转换为直接引用。

●access flags 类的private、public等修饰词

●this class 表明当前类的名称

●super class 父类

●interfaces 实现的接口列表

● fields class中定义的字段，每个field又是一个结构体

● methods 方法，包括MaxLocal, Max Stack,方法名，signature,access flags等。 代码保存在方法的名称为Code的属性中。

● attributes

下面以一个简单的类

看一下它的class文件，通过vim打开，在Normal模式下，按: 输入%!xxd,即可转换成16进制表示。然后可以通过%!xxd -r转换回来

通过javap来看一下它的结构

字节码指令集

bytecode保存在class文件的方法的Code属性中。用一个byte表示操作指令，所以最多有256个指令。一个指令可能会有多个操作数。 操作指令可以分为以下几类：

● 数学运算，如iadd,i2c,imul,idiv

● 条件分支, 如ifeq,if_icompeq, if_icmplt

●操作数栈和本地变量表的操作，如iload_0, iconst_0, ldc i bipush 100, astore_1, iinc, dup, swap, dup_x1,put_field, get_field, get_static, put_static等。

●class操作，如new, checkcast, instanceof

● 方法调用:1.invokespecial:调用构造器、私有方法和父类方法;2.invokestatic:调用静态方法;3.invokevirtual:调用虚方法，一般的实例方法都是invokevirtual调用;4.invokeinterface:调用接口类的方法;5.invokedynamic,java中对动态语言的支持。 invokevirtual和invokeinterface通过第一个参数查找方法，动态分派，从而实现多态。

最后总结

以上知识是通过阅读书籍、官方文档、规范得来的，会有过时、不准确的情况。 还需通过查看源码、自身探索，真像就在那代码中。

END

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