JVM學習總結)

JVM學習筆記（一）------基本結構

 

從Java平台的邏輯結構上來看，我們可以從來瞭解JVM：

從能清晰看到Java平台包含的各個邏輯模組，也能瞭解到JDK與JRE的區別

對於JVM自身的物理結構，我們可以從鳥瞰一下：

對於JVM的學習，在我看來這麼幾個部分最重要：

• Java代碼編譯和執行的整個過程
• JVM記憶體管理及記憶體回收機制

下面將這兩個部分進行詳細學習

JVM學習筆記（二）------Java代碼編譯和執行的整個過程

Java代碼編譯是由Java源碼編譯器來完成，流程圖如下所示：

Java位元組碼的執行是由JVM執行引擎來完成，流程圖如下所示：

Java代碼編譯和執行的整個過程包含了以下三個重要的機制：

• Java源碼編譯機制
• 類載入機制
• 類執行機制

Java源碼編譯機制

Java
源碼編譯由以下三個過程組成：

• 分析和輸入到符號表
• 註解處理
• 語義分析和產生class檔案

流程圖如下所示：

最後產生的class檔案由以下部分組成：

• 結構資訊。包括class檔案格式版本號碼及各部分的數量與大小的資訊
• 中繼資料。對應於Java源碼中聲明與常量的資訊。包含類/繼承的超類/實現的介面的聲明資訊、域與方法聲明資訊和常量池
• 方法資訊。對應Java源碼中語句和運算式對應的資訊。包含位元組碼、異常處理器表、求值棧與局部變數區大小、求值棧的類型記錄、偵錯符號資訊

類載入機制

JVM的類載入是通過ClassLoader及其子類來完成的，類的層次關係和載入順序可以由來描述：

1）Bootstrap ClassLoader

負責載入$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar裡所有的class，由C++實現，不是ClassLoader子類

2）Extension ClassLoader

負責載入java平台中擴充功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目錄下的jar包

3）App ClassLoader

負責記載classpath中指定的jar包及目錄中class

4）Custom ClassLoader

屬於應用程式根據自身需要自訂的ClassLoader，如tomcat、jboss都會根據j2ee規範自行實現ClassLoader

載入過程中會先檢查類是否被已載入，檢查順序是自底向上，從Custom ClassLoader到BootStrap
ClassLoader逐層檢查，只要某個classloader已載入就視為已載入此類，保證此類只所有ClassLoader載入一次。而載入的順序
是自頂向下，也就是由上層來逐層嘗試載入此類。

類執行機制

JVM是基於棧的體繫結構來執行class位元組碼的。線程建立後，都會產生程式計數器（PC）和棧（Stack），程式計數器存放下一條要執行的指
令在方法內的位移量，棧中存放一個個棧幀，每個棧幀對應著每個方法的每次調用，而棧幀又是有局部變數區和運算元棧兩部分組成，局部變數區用於存放方法中的
局部變數和參數，運算元棧中用於存放方法執行過程中產生的中間結果。棧的結構如所示：

JVM學習筆記（三）------記憶體管理和記憶體回收

JVM記憶體組成結構

JVM棧由堆、棧、本地方法棧、方法區等部分組成，結構圖如下所示：

1）堆

所有通過new建立的對象的記憶體都在堆中分配，其大小可以通過-Xmx和-Xms來控制。堆被劃分為新生代和舊生代，新生代又被進一步劃分為Eden和Survivor區，最後Survivor由From Space和To Space組成，結構圖如下所示：

• 新生代。建立的對象都是用新生代分配記憶體，Eden空間不足的時候，會把存活的對象轉移到Survivor中，新生代大小可以由-Xmn來控制，也可以用-XX:SurvivorRatio來控制Eden和Survivor的比例
• 舊生代。用於存放新生代中經過多次記憶體回收仍然存活的對象

2）棧

每個線程執行每個方法的時候都會在棧中申請一個棧幀，每個棧幀包括局部變數區和運算元棧，用於存放此次方法調用過程中的臨時變數、參數和中間結果

3）本地方法棧

用於支援native方法的執行，儲存了每個native方法調用的狀態

4）方法區

存放了要載入的類資訊、靜態變數、final類型的常量、屬性和方法資訊。JVM用持久代（Permanet Generation）來存放方法區，可通過-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize來指定最小值和最大值

記憶體回收機制

JVM分別對新生代和舊生代採用不同的記憶體回收機制

新生代的GC：

新生代通常存活時間較短，因此基於Copying演算法來進行回收，所謂Copying演算法就是掃描出存活的對象，並複製到一塊新的完全未使用的空間
中，對應於新生代，就是在Eden和From Space或To
Space之間copy。新生代採用空閑指標的方式來控制GC觸發，指標保持最後一個分配的對象在新生代區間的位置，當有新的對象要分配記憶體時，用於檢查
空間是否足夠，不夠就觸發GC。當連續指派至時，對象會逐漸從eden到survivor，最後到舊生代，

用java visualVM來查看，能明顯觀察到新生代滿了後，會把對象轉移到舊生代，然後清空繼續裝載，當舊生代也滿了後，就會報outofmemory的異常，如所示：

在執行機制上JVM提供了串列GC（Serial GC）、並行回收GC（Parallel Scavenge）和並行GC（ParNew）

1）串列GC

在整個掃描和複製過程採用單線程的方式來進行，適用於單CPU、新生代空間較小及對暫停時間要求不是非常高的應用上，是client層級預設的GC方式，可以通過-XX:+UseSerialGC來強制指定

2）並行回收GC

在整個掃描和複製過程採用多線程的方式來進行，適用於多CPU、對暫停時間要求較短的應用上，是server層級預設採用的GC方式，可用-XX:+UseParallelGC來強制指定，用-XX:ParallelGCThreads=4來指定線程數

3）並行GC

與舊生代的並發GC配合使用

舊生代的GC：

舊生代與新生代不同，對象存活的時間比較長，比較穩定，因此採用標記（Mark）演算法來進行回收，所謂標記就是掃描出存活的對象，然後再進行回收未
被標記的對象，回收後對用空出的空間要麼進行合并，要麼標記出來便於下次進行分配，總之就是要減少記憶體片段帶來的效率損耗。在執行機制上JVM提供了串列
GC（Serial MSC）、並行GC（parallel MSC）和並發GC（CMS），具體演算法細節還有待進一步深入研究。

以上各種GC機制是需要組合使用的，指定方式由下表所示：

 

指定方式	新生代 GC 方式	舊生代 GC 方式
-XX:+UseSerialGC	串列 GC	串列 GC
-XX:+UseParallelGC	並行回收 GC	並行 GC
-XX:+UseConeMarkSweepGC	並行 GC	並發 GC
-XX:+UseParNewGC	並行 GC	串列 GC
-XX:+UseParallelOldGC	並行回收 GC	並行 GC
-XX:+ UseConeMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC	串列 GC	並發 GC
不支援的組合	1 、 -XX:+UseParNewGC -XX:+UseParallelOldGC 2 、 -XX:+UseParNewGC -XX:+UseSerialGC

 

JVM學習筆記（四）------記憶體調優

首先需要注意的是在對JVM記憶體調優的時候不能只看作業系統層級Java進程所佔用的記憶體，這個數值不能準確的反應堆記憶體的真實佔用情況，因為GC
過後這個值是不會變化的，因此記憶體調優的時候要更多地使用JDK提供的記憶體查看工具，比如JConsole和Java VisualVM。

對JVM記憶體的系統級的調優主要的目的是減少GC的頻率和Full GC的次數，過多的GC和Full GC是會佔用很多的系統資源（主要是CPU），影響系統的輸送量。特別要關注Full GC，因為它會對整個堆進行整理，導致Full GC一般由於以下幾種情況：

• 舊生代空間不足
  調優時盡量讓對象在新生代GC時被回收、讓對象在新生代多存活一段時間和不要建立過大的對象及數組避免直接在舊生代建立對象 
• Pemanet Generation空間不足
  增大Perm Gen空間，避免太多靜態對象 
• 統計得到的GC後晉陞到舊生代的平均大小大於舊生代剩餘空間
  控制好新生代和舊生代的比例 
• System.gc()被顯示調用
  記憶體回收不要手動觸發，盡量依靠JVM自身的機制 

調優手段主要是通過控制堆記憶體的各個部分的比例和GC策略來實現，下面來看看各部分比例不良設定會導致什麼後果

1）新生代設定過小

一是新生代GC次數非常頻繁，增大系統消耗；二是導致大對象直接進入舊生代，佔據了舊生代剩餘空間，誘發Full GC

2）新生代設定過大

一是新生代設定過大會導致舊生代過小（堆總量一定），從而誘發Full GC；二是新生代GC耗時大幅度增加

一般說來新生代占整個堆1/3比較合適

3）Survivor設定過小

導致對象從eden直接到達舊生代，降低了在新生代的存活時間

4）Survivor設定過大

導致eden過小，增加了GC頻率

另外，通過-XX:MaxTenuringThreshold=n來控制新生代存活時間，盡量讓對象在新生代被回收

由上一篇博文JVM學習筆記（三）------記憶體管理和記憶體回收
可知新生代和舊生代都有多種GC策略和組合搭配，選擇這些策略對於我們這些開發人員是個難題，JVM提供兩種較為簡單的GC策略的設定方式

1）輸送量優先

JVM以輸送量為指標，自行選擇相應的GC策略及控制新生代與舊生代的大小比例，來達到輸送量指標。這個值可由-XX:GCTimeRatio=n來設定

2）暫停時間優先

JVM以暫停時間為指標，自行選擇相應的GC策略及控制新生代與舊生代的大小比例，盡量保證每次GC造成的應用停止時間都在指定的數值範圍內完成。這個值可由-XX:MaxGCPauseRatio=n來設定

最後匯總一下JVM常見配置

1. 堆設定
   • -Xms:初始堆大小
   • -Xmx:最大堆大小
   • -XX:NewSize=n:設定年輕代大小
   • -XX:NewRatio=n:設定年輕代和年老代的比值。如:為3，表示年輕代與年老代比值為1：3，年輕代占整個年輕代年老代和的1/4
   • -XX:SurvivorRatio=n:年輕代中Eden區與兩個Survivor區的比值。注意Survivor區有兩個。如：3，表示Eden：Survivor=3：2，一個Survivor區占整個年輕代的1/5
   • -XX:MaxPermSize=n:設定持久代大小
2. 收集器設定
   • -XX:+UseSerialGC:設定串列收集器
   • -XX:+UseParallelGC:設定並行收集器
   • -XX:+UseParalledlOldGC:設定並行年老代收集器
   • -XX:+UseConcMarkSweepGC:設定並發收集器
3. 記憶體回收統計資訊
   • -XX:+PrintGC
   • -XX:+PrintGCDetails
   • -XX:+PrintGCTimeStamps
   • -Xloggc:filename
4. 並行收集器設定
   • -XX:ParallelGCThreads=n:設定並行收集器收集時使用的CPU數。並行收集線程數。
   • -XX:MaxGCPauseMillis=n:設定並行收集最大暫停時間
   • -XX:GCTimeRatio=n:設定記憶體回收時間占程式已耗用時間的百分比。公式為1/(1+n)
5. 並發收集器設定
   • -XX:+CMSIncrementalMode:設定為增量模式。適用於單CPU情況。
   • -XX:ParallelGCThreads=n:設定並發收集器年輕代收集方式為並行收集時，使用的CPU數。並行收集線程數。