从JVM原理到性能调优

客官°小女子只卖身不卖艺 2022-03-18 11:52 229阅读 0赞

**一、Java加载过程**

>     类从被加载到JVM中开始，到卸载为止，整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。
>     其中类加载过程包括加载、验证、准备、解析和初始化五个阶段。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5ncWlhbmdfYWNjcA_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

>     类加载器的任务就是根据一个类的全限定名来读取此类的二进制字节流到JVM中，然后转换为一个与目标类对应的java.lang.Class对象实例。
>     BootstrapClassLoader、ExtClassLoader和AppClassLoader
>     defineClass方法将字节码的byte数组转换为一个类的class对象实例，如果希望在类被记载到JVM时就被链接，那么可以调用resolveClass方法。

>     自定义类加载器需要继承抽象类ClassLoader，实现findClass方法，该方法会在loadClass调用的时候被调用，findClass默认会抛出异常。
>     
>     findClass方法表示根据类名查找类对象
>     loadClass方法表示根据类名进行双亲委托模型进行类加载并返回类对象
>     defineClass方法表示跟根据类的字节码转换为类对象

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5ncWlhbmdfYWNjcA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

>     当一个类加载器接收到一个类加载的任务时，不会立即展开加载，而是将加载任务委托给它的父类加载器去执行，每一层的类都采用相同的方式，直至委托给最顶层的启动类加载器为止。如果父类加载器无法加载委托给它的类，便将类的加载任务退回给下一级类加载器去执行加载。
>     
>     双亲委托模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委托给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需要加载的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。
>     使用双亲委托机制的好处是：能够有效确保一个类的全局唯一性，当程序中出现多个限定名相同的类时，类加载器在执行加载时，始终只会加载其中的某一个类。
>     
>     使用双亲委托模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委托给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种加载器环境中都是同一个类。相反，如果没有使用双亲委托模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己编写了一个称为java.lang.Object的类，并放在程序的ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无法保证，应用程序也将会变得一片混乱。如果自己去编写一个与rt.jar类库中已有类重名的Java类，将会发现可以正常编译，但永远无法被加载运行。
>     
>     
>     双亲委托模型对于保证Java程序的稳定运作很重要，但它的实现却非常简单，实现双亲委托的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中，逻辑清晰易懂：先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父类加载器的loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父类加载器加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass方法进行加载。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5ncWlhbmdfYWNjcA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

>     1、加载
>     简单的说，类加载阶段就是由类加载器负责根据一个类的全限定名来读取此类的二进制字节流到JVM内部，并存储在运行时内存区的方法区，然后将其转换为一个与目标类型对应的java.lang.Class对象实例（Java虚拟机规范并没有明确要求一定要存储在堆区中，只是hotspot选择将Class对戏那个存储在方法区中），这个Class对象在日后就会作为方法区中该类的各种数据的访问入口。
>     2、链接
>     链接阶段要做的是将加载到JVM中的二进制字节流的类数据信息合并到JVM的运行时状态中，经由验证、准备和解析三个阶段。
>     1）、验证
>     验证类数据信息是否符合JVM规范，是否是一个有效的字节码文件，验证内容涵盖了类数据信息的格式验证、语义分析、操作验证等。
>     格式验证：验证是否符合class文件规范
>     语义验证：检查一个被标记为final的类型是否包含子类；检查一个类中的final方法视频被子类进行重写；确保父类和子类之间没有不兼容的一些方法声明（比如方法签名相同，但方法的返回值不同）
>     操作验证：在操作数栈中的数据必须进行正确的操作，对常量池中的各种符号引用执行验证（通常在解析阶段执行，检查是否通过富豪引用中描述的全限定名定位到指定类型上，以及类成员信息的访问修饰符是否允许访问等）

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5ncWlhbmdfYWNjcA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

>     2）、准备
>     为类中的所有静态变量分配内存空间，并为其设置一个初始值（由于还没有产生对象，实例变量不在此操作范围内）
>     被final修饰的静态变量，会直接赋予原值；类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，则在准备阶段，其值就是ConstantValue的值
>     3）、解析
>     将常量池中的符号引用转为直接引用（得到类或者字段、方法在内存中的指针或者偏移量，以便直接调用该方法），这个可以在初始化之后再执行。
>     可以认为是一些静态绑定的会被解析，动态绑定则只会在运行是进行解析；静态绑定包括一些final方法(不可以重写),static方法(只会属于当前类)，构造器(不会被重写)
>     3、初始化
>     将一个类中所有被static关键字标识的代码统一执行一遍，如果执行的是静态变量，那么就会使用用户指定的值覆盖之前在准备阶段设置的初始值；如果执行的是static代码块，那么在初始化阶段，JVM就会执行static代码块中定义的所有操作。
>     所有类变量初始化语句和静态代码块都会在编译时被前端编译器放在收集器里头，存放到一个特殊的方法中，这个方法就是<clinit>方法，即类/接口初始化方法。该方法的作用就是初始化一个中的变量，使用用户指定的值覆盖之前在准备阶段里设定的初始值。任何invoke之类的字节码都无法调用<clinit>方法，因为该方法只能在类加载的过程中由JVM调用。
>     如果父类还没有被初始化，那么优先对父类初始化，但在<clinit>方法内部不会显示调用父类的<clinit>方法，由JVM负责保证一个类的<clinit>方法执行之前，它的父类<clinit>方法已经被执行。
>     JVM必须确保一个类在初始化的过程中，如果是多线程需要同时初始化它，仅仅只能允许其中一个线程对其执行初始化操作，其余线程必须等待，只有在活动线程执行完对类的初始化操作之后，才会通知正在等待的其他线程。

**二、内存模型**

根据 JVM 规范，JVM 内存共分为虚拟机栈、堆、方法区、程序计数器、本地方法栈五个部分。

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**1）堆**

堆内存是JVM所有线程共享的部分，虚拟机启动的时候就已经创建。所有的对象（包括静态对象）和数组都在堆上进行分配。这部分可以同过Young GC和Full GC来回收。申请不到空间时跑出异常：OutOfMemoryError

>     package com.jd.wyjm.memory;
>     
>     import java.util.ArrayList;
>     import java.util.List;
>     
>     public class MainMemory {
>     
>         public static void main(String[] args){
>             List<byte[]> list = new ArrayList<byte[]>();
>             int i = 0;
>             boolean flag = true;
>             while (flag){
>                 try {
>                     i++;
>                     list.add(new byte[1024 * 1024]);//每次增加一个1M大小的数组对象
>                 }catch (Throwable e){
>                     e.printStackTrace();
>                     flag = false;
>                     System.out.println("count="+i);//记录运行的次数
>                 }
>             }
>         }
>     }

**运行代码，输出结果如下：**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5ncWlhbmdfYWNjcA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

**堆内存详细区域**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5ncWlhbmdfYWNjcA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

**Metaspace（元空间）**

其实，移除永久代的工作从JDK1.7就开始了。JDK1.7中，存储在永久代的部分数据就已经转移到了Java Heap或者是 Native Heap。但永久代仍存在于JDK1.7中，并没完全移除，譬如符号引用(Symbols)转移到了native heap；字面量(interned strings)转移到了java heap；类的静态变量(class statics)转移到了java heap。我们可以通过一段程序来比较 JDK 1.6 与 JDK 1.7及 JDK 1.8 的区别，以字符串常量为例：

>     package com.jd.wyjm.memory;
>     
>     import java.util.ArrayList;
>     import java.util.List;
>     
>     public class StringOomMock {
>     
>         static String  base = "string";
>     
>         public static void main(String[] args){
>             List<String> list = new ArrayList<String>();
>             for (int i=0;i< Integer.MAX_VALUE;i++){
>                 String str = base + base;
>                 base = str;
>                 list.add(str.intern());
>             }
>         }
>     }

**运行代码，输出结果如下：**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5ncWlhbmdfYWNjcA_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][]

元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过以下参数来指定元空间的大小：

-XX:MetaspaceSize，初始空间大小，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对该值进行调整：如果释放了大量的空间，就适当降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。  
　　-XX:MaxMetaspaceSize，最大空间，默认是没有限制的。

除了上面两个指定大小的选项以外，还有两个与 GC 相关的属性：  
　　-XX:MinMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为分配空间所导致的垃圾收集  
　　-XX:MaxMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为释放空间所导致的垃圾收集

现在我们在 JDK 8下重新运行一下代码段 4，不过这次不再指定 PermSize 和 MaxPermSize。而是指定 MetaSpaceSize 和 MaxMetaSpaceSize的大小。输出结果如下：

![820406-20160327010233933-699106123.png][]

从输出结果，我们可以看出，这次不再出现永久代溢出，而是出现了元空间的溢出。

**2）方法区**

方法区也是所有线程共享。主要用于存储类的信息、常量池、方法数据和方法代码等。方法区逻辑上属于堆的一部分，但是为了与堆进行区分，通常又叫"非堆"。

**3）虚拟机栈**

每个线程都有一个私有的栈，随着线程的创建而创建。栈里面存着一个叫“栈帧”的东西，每个方法会创建一个栈帧，栈帧存放了局部变量表（基本数据类型和对象引用）、操作数栈、方法出口等信息。栈大小可以固定也可以动态扩展，栈深度大于JVM允许的范围，抛出异常：StackOverflowError

>     package com.jd.wyjm.memory;
>     
>     public class StackErrorMock {
>     
>         private static int i = 1;
>     
>         public void call(){
>             i++;
>             call();
>         }
>     
>         public static void main(String[] args){
>             StackErrorMock mock = new StackErrorMock();
>             try {
>                 mock.call();
>             }catch (Throwable e){
>                 System.out.println("Stack deep : "+i);
>                 e.printStackTrace();
>             }
>         }
>     }

**运行代码，输出结果如下：**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5ncWlhbmdfYWNjcA_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]

虚拟栈除了上述错误外，还有申请不到空间的时候，提示OutOfMemoryError错误。

**4）本地方法栈**

这部分主要与虚拟机用到的 Native 方法相关，一般情况下， Java 应用程序员并不需要关心这部分的内容。实际上这部分调用的是.dll中的函数。

**5）PC寄存器**

PC 寄存器，也叫程序计数器。JVM支持多个线程同时运行，每个线程都有自己的程序计数器。倘若当前执行的是 JVM 的方法，则该寄存器中保存当前执行指令的地址；倘若执行的是native 方法，则PC寄存器中为空。

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