荐 JVM虚拟机底层原理分析与性能优化思想

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一、Java虚拟机内存模型

首先，我们可以看JDK的体系结构图：
可以大致看到jdk的组成，有java language（java、javac等）、还有工具Tools（Java VisualVM、Deployment、interface、Libraries、Java Virtual Machine。JDK包含了JRE，关于这两者可以看： JDK、JRE和JVM到底是什么

JAVA虚拟机占据最下面的一块位置，虽然看起来占据位置并不大，但是java虚拟机在整个JDK中是非常重要的。

从JVM的整体结构图，可以看出JVM是在java语言跨平台上做什么工作：
跨平台简单来说就是我们程序员只需要写一份java代码，就可以在不同的操作系统下运行。 那么这个过程就是JVM来实现的。
我的理解是，JVM就像是翻译官，如果是业界大佬但是只会中文，那么去法国，会带一个精通法语的翻译官，去俄罗斯就会带一个精通俄语的翻译官，那么同样的window平台和linux平台有各自的JVM，我们只需要将自己的.java代码转换成字节码.class文件，那么拿到不同的平台都可以根据不同系统配套的JVM，将它翻译成系统可执行的机器码。这就是跨平台的原理。

那么JVM是如何实现运行java代码的呢？
我们可以看它的内部结构图：
首先它会将我们的.class文件装载到类装载子系统里去，然后由类装载子系统加载到运行时数据区，然后再由字节码执行引擎来执行一行一行的代码。

我们先简单看一下各内存区是放什么的：
程序计数器：放当前线程正要执行的代码位置（行号）。为什么在一个线程中需要一个程序计数器呢？
因为在多线程中，如果当前线程执行在中途，cpu为这个线程分配的时间用完了，那么当前这个线程就要被挂起，去执行其他的线程，当又到了该线程执行的时间片，那么这时候程序计数器就会起作用，这个线程就会从上次被挂起的代码位置继续执行，而不必要从头开始，如果每次没执行完就被挂起，还要从头开始的话，就会陷入一个死循环，这个线程永远也结束不了，也不会释放它占用的空间。
堆：放我们new 的对象
栈：主要是用来装线程中生成的局部变量，每一个线程都会生成一个栈。栈的结构比较复杂，主要是栈帧的概念，栈帧它的作用是比如在一个线程中，调用了某个方法，这个方法里面也有局部变量，那么就会单独在这个栈中为它分配内存空间存放局部变量。这里的栈与我们数据结构中学到的栈是有很大的相似性的，都遵循先进后出（FILO）。
看下图是一个简单的执行过程，首先main线程启动，栈就会为main开辟一个栈帧空间存放局部变量（这时在栈底），主线程再接着执行第二行，会调用一个compute（）函数，然后栈又会为它开辟一个存放局部变量的空间，当它执行结束，就会释放这部分栈帧，直到栈中为空，线程执行完毕。

这个就是虚拟机栈的基本原理，但实际上栈帧中存放一个方法的局部变量只是其中一部分，那么栈帧中还有什么呢?
栈帧中有四部分：
局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口。
这四个部分，我们可以从jvm可执行文件.class 来看，但是呢它的每一个字符都是用数字编码实现，看起来很枯燥也看不懂，我们可以找到刚才说的Math.java的Math.class文件，可以直接拖到idea中，输入javap -c Math.class，就会将可执行的机器码反编译一下，也可以直接用cmd进到.class的文件下执行。可以通过分析它的内部执行过程来理解。那上面compute（）方法来看：

this就是相当于istore_0,指向当前局部变量表中元素。

通过这个运算的操作流程，我们就可以清楚的认识到局部变量表和操作数栈的作用。操作数栈，实际上就是操作数在进行运算过程中，临时存放值的一个内存空间。
动态链接：会将符号引用转变为直接引用。拿我们前面的Math.java的例子，就是在main执行过程中，会调用compute方法，那么动态链接的作用就是通过math.compute();这个符号的引用，知道它内部代码在内存区中的具体的位置。
方法出口：例如上面的Math.java的例子，我们在执行完compute方法以后，那么程序应该要回到compute方法下面一行。它是如何知道要准确的回到System那一行呢？就是方法出口起作用，在compute方法执行前，它对应的方法出口就会记录main中，下一行代码的执行位置。当compute方法执行结束，方法出口就会让其回到main中下一行执行代码位置。

每一个栈帧中，都有这四个部分。
但是局部变量表中存对象时，实际上存的是对象在堆内存中的地址。因为我们知道对象是存在堆内存中的，当一个线程启动时，栈就会为当前方法开辟一个栈帧，这个方法中涉及到对对象的操作，那么这时候它的局部变量表中为对象开辟的内存空间，实际上就是该对象在堆中的地址（也可以叫做指针），通过这个地址就可以找到对象。例如我们前面提到的Math.java中的main方法内的操作。
那么从中，也可以看出栈内存和堆内存的关系：栈中存放的都是对象在堆内存中的地址（指针）。

再看剩下几个区域存放内容：
方法区（元空间）：存放常量+静态变量+类信息。如果静态变量是对象，那么实际上方法区存放的是对象在堆中的地址，也就是指针，与我们栈中的局部变量表存放对象是一样的。
本地方法栈：本地方法就是用native来修饰的方法，本地方法是由C或者C++实现的，java在执行到native修饰的方法的时候，会通过字节码搜索引擎，去到本地操作系统底层的库函数，例如C++的库函数、C语言的库函数（xxx.dll就跟我们java语言的jar包一样）如果线程用到本地方法，那么就会为它开辟一个本地方法栈。
总结：
栈、本地方法栈、程序计数器这三个是每个线程独有的，而堆和方法区是所有线程共享的。

二、Java虚拟机垃圾收集机制

首先看一下堆的内部结构：

我们知道new的对象会放在堆中，那么具体会放在堆的哪个部分？
其实就是Eden区（伊甸园区，亚当和夏娃的出生地！有木有~）如果让一个线程不停的new对象，那么最终Eden区会放满，这时候就会调用一个垃圾回收机制（minor gc）

minor gc又是个啥？
它其实是字节码执行引擎在后台开启的一个垃圾回收线程，专门收集堆中的垃圾。minor gc主要针对的是年轻代。

那么它是如何实现回收的呢？准确的问就是它是如何判断哪些对象是可回收的呢？
我们用的是可达性分析算法：
将“GC Roots”对象作为起点，从这些结点开始向下搜索引用对象，找到的对象都标记为非垃圾对象，其余的标记的都是垃圾对象
GC Roots根节点：线程栈的本地变量、静态变量、本地方法栈的变量等等。

也就是我们从线程中的变量（引用对象）出发，找到堆中的对象，这个对象如果又引用了其他的对象则接着向下找，一直到找到引用的这个对象不再有其他引用，那么就将它们都标记为非垃圾对象。

一旦这些对象被标记为非垃圾对象，那么就会被复制算法复制到堆其中的一块Survivor区，然后将Eden区中的所有对象都清理掉。

那么接着不停的new对象，Eden区又装满了，又会触发minor gc，这时候不仅仅会回收Eden区，同时还会回收非空的Survivor区，它会对这两者都进行判断，然后标记，将非垃圾对象复制到另外一个空的Survivor区后，将Eden区和之前的Survivor区的对象全部清理掉。

这里我们还需要了解一个概念，叫做对象的分段年龄，这一部分是存储在对象头中的。就是对象在堆中，每被复制一次，它的分段年龄就会加1。当一个对象的分段年龄被加到15还没有被释放掉，就会被放到老年代。
这个过程实际上是可视的，需要 为JDK自带的jvisualvm安装Visual GC插件.（这个是我的另外一篇文章，想下的可以直接看详细教程）
我们看下面一个代码，去模拟Eden不停new对象的过程，并且还是符合非垃圾对象，无法释放掉的情形。

然后就可以打开cmd输入命令：jvisualvm
打开后

点击当前正在运行的这个java程序，就可以看到如下情形

这就是完整的JVM的垃圾回收机制了。

三、JVM性能优化思想

我们从上面的垃圾回收过程可以思考，如果程序一直这样执行下去，老年区迟早会放满，这时候就会触发一个叫full gc的机制，但其实它并不能帮助释放很多空间，运行到最后程序就会报错：简称OOM

而堆每执行一次垃圾收集，就会发生STW（Stop The World）:它会停掉所有的用户线程（操作），比如电商网站用户正在点击加入购物车的时候，后台发生了垃圾回收机制，用户很可能就是感觉卡顿了一下然后又好了。
那么就有疑问了，为什么非要设置这个STW呢？垃圾回收的时候，不停掉用户的操作，那不就不会发生卡顿了吗？
我们可以反证，如果执行gc回收机制，不让它发生STW，那么有些线程还在执行中，gc会通过一个根节点对象一直向下找，并标记为非垃圾对象，但由于线程还在继续，有些线程结束以后，局部变量就会被释放掉，那么前面gc已经标记为非垃圾的对象，其实变成了垃圾对象了，那么gc又要重新进行标记，如果有很多线程在不断new对象，执行，释放，那么这个gc就要一直在不停的做标记。总的来说就是如果不设置STW这个操作，那么在堆中的对象状态是在不停的变化的。这样效率反而没有提高，还不如停下来专心做这一件事情。一次性标记好然后清理，效率反而会更高。而且STW的时间并不是很长，很多时候用户感知不到。

那么我们性能调优针对的就是较少甚至避免full gc
举一个例子，假如一个电商平台，每秒钟点击量生成的对象的总大小为60MB，并且订单生成后一两秒钟，这些对象变量就会被释放掉。如果分配给jvm堆内存大学为3个G，那么该如何尽量避免发生full gc呢？
我们先看第一种分配内存情况：

每运行差不多14秒左右就占满Eden区就会触发minor gc，这时候会发生STW，那么最后一秒的线程执行在中途，那么它们就会被放到s0区。实际上当s中对象占的空间大于它的50%：（60MB>100MB*50%）就会直接被放到老年区，下一秒钟实际上这一部分已经是垃圾对象了，但由于放在老年区minor gc并不会释放，这样随着时间推进，老年区大概每几分钟就会满，就会触发full gc。那么我们可以想，既然这些对象再下一秒钟就是垃圾对象了

那么怎样才能避免它们进入老年区？
需要将年轻代的内存空间调大一点，由1G增长到2g
Eden：1.6G
s0=s1:200MB
old:1G
这样当地14秒触发minor gc,后，最后一秒的60MB放进s0中，将Eden清空，下一个第14秒钟的时候，minor gc会判断Eden和s0区中的垃圾对象，这时候将它们全部都释放了。
总的来说，也就是让分段年龄短的对象，尽可能的在年轻代被释放掉，而不要将它们放进老年代。
这就是JVM性能优化的思想。
JVM的调优涉及到很多知识，这里只是介绍了简单的调优场景。
从上面的例子说明堆中如何内存的分配是非常重要的，那么这就需要了解各个板块的性能，比如survivo区的对象何时会放到老年代是有很多种情形的，分段年龄达到15，s中对象的内存占s总内存的50%以上等等。

思想建立，之后就需要不断的丰富知识体系。这篇文章终于肝完了，加油吧！

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