jvm原理和優(yōu)化

1、入什么是JVMJVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫，JVM是一種用于計算設備的規(guī)范，它是一個虛構(gòu)出來的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現(xiàn)的。Java語言的一個非常重要的特點就是與平臺的無關(guān)性。而使用 Java虛擬機是實現(xiàn)這一 特點的關(guān)鍵。一般的高級語言如果要在不同的平臺上運行，至少需要編譯成不同的目標代碼。而引入Java語言虛擬機后，Java語言在不同平臺上運行時不需要重新編譯。Java語言使用Java虛擬機屏蔽了與具體平臺相關(guān)的信息，使得 Java語言編譯程序只需生成在Java虛擬機上運行的目標代碼（字節(jié)碼），就可以在多種平臺上不加

2、修改地運行。Java虛擬機在執(zhí)行字節(jié)碼時，把字節(jié)碼解釋成具體平臺上的機器指令執(zhí)行。這就是 Java的能夠“一次編 譯，到處運行”的原因。JVM :從Java平臺的邏輯結(jié)構(gòu)上來看，我們可以從下圖來了解Java Language于JVM自身的物理結(jié)構(gòu)，我們可以從下圖鳥瞰一下:Class文件內(nèi)存空間n)ntgie從上圖能清晰看到Java平臺包含的各個邏輯模塊，也能了解到JDK與JRE的區(qū)別，對方法區(qū)本地方法庫TooH 4 java javac javadoc apt |arJPCA JCcntol*TflOl AF 博 & ctukriEy Intll RMI IDL Dply MarkitTrau

3、fe I 9hh#4t CriptingJavaVlualVMJVMTDeploymentJava StArtJjva Plug inU5tli (r - f JLrToolkitsJRElang and utilLibraritJiva VilTUIM3chinPhttorirtiJavatjJ和指令本地方法 接口 rJva 2DI n Print Service Sourdnteurtnn LrMCth*r B口號告 Libraries:oilectiohsLodgingManagementCQI14U remy Util riseReflectionVei tiflning ZipRet

4、Regular ExpressionsPreferences APIJava Hut與pot Clie nt YAIJava HgpM Server M6lariLinuxWinders本地 方法棧JDBCRMHIOPOrh*rAccesibihrvDr3g n Drop fnput Mietrodsinti SupportInput Ou-purMath州總 TwerkingOverride 刑自.k 3H i，ESecuriySeria RationXML JAPExtensionMs dh ahi hnE 啟 31y執(zhí)行引擎指令計數(shù)器 以及其它 隱含寄存器垃圾 收集器類加載器 子系統(tǒng)Ja

5、va 推二、JAVA代碼編譯和執(zhí)行過程Java代碼編譯是由Java源碼編譯器來完成，流程圖如下所示:級器 va碼譯 3原扁 J UM Tit字節(jié)碼生成器注艇抽象語法樹語義分析器語法樹抽象語法制語法分析器Token充詞法分析器Java字節(jié)碼的執(zhí)行是由JVM執(zhí)行引擎來完成，流程圖如下所示:中間代碼目標代碼目標代碼生成器中間代碼寄存器分配器中間代碼機器相關(guān)優(yōu)化機器無關(guān)優(yōu)化JT編譯器ava代碼編譯和執(zhí)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,類加載機制類執(zhí)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注解處理語義分析和生成class文件流程圖如下所

6、示:最后生成的class文件由以下部分組成:結(jié)構(gòu)信息。包括class文件格式版本號及各部分的數(shù)量與大小的信息,元數(shù)據(jù)。對應于Java源碼中聲明與常量的信息。包含類/繼承的超類/實現(xiàn) 的接口的聲明信息、域與方法聲明信息和常量池方法信息。對應Java源碼中語句和表達式對應的信息。包含字節(jié)碼、異常 處理器表、求值棧與局部變量區(qū)大小、求值棧的類型記錄、調(diào)試符號信息類加載機制JVM的類加載是通過 ClassLoader及其子類來完成的，類的層次關(guān)系和加載順序可以由下 圖來描述：ClassLoader ArchitectureBootstra p ClassLoaderLonRElibrtJmF 或者-X

7、bootd自螯口 a巾拽 減指定的前包Extension Cl a ssLoaderLoadJRElibext*JarJi!(- Djanext.di得指定目錄下的Jar包App ClassLoaderLO5d CLASSPATH rk-Djava .classpath 所指定的目錄下加類和gr包通過子類自定義加載dmx1) Bootstrap ClassLoader負責加載 $JAVA_HOME 中 jre/lib/rt.jar里所有的class ,由C+實現(xiàn)，不是 ClassLoader子類Extension ClassLoader負責加載 java 平臺中擴展功能的一些jar包，包括$J

8、AVA_HOME 中jre/lib/*.jar 或-Djava.ext.dirs 指定目錄下的 jar包App ClassLoader負責記載classpath 中指定的jar包及目錄中classCustom ClassLoader屬于應用程序根據(jù)自身需要自定義的ClassLoader ,如tomcat、jboss者B會本據(jù)j2ee規(guī)范自行實現(xiàn) ClassLoader加載過程中會先檢查類是否被已加載，檢查順序是自底向上，從 Custom ClassLoader 到 Bootstrap ClassLoader 逐層檢查，只要某個 classloader 已加載就視為已加載此類，保證此類只所有Cl

9、assLoader加載一次。而加載的順序是自頂向下，也就是由上層來逐層嘗試加載此類。類執(zhí)行機制JVM是基于棧的體系結(jié)構(gòu)來執(zhí)行 class字節(jié)碼的。線程創(chuàng)建后，都會產(chǎn)生程序計數(shù)器 （PC）和棧（Stack）,程序計數(shù)器存放下一條要執(zhí)行的指令在方法內(nèi)的偏移量，棧中存放一個個棧幀，每個棧幀對應著每個方法的每次調(diào)用，而棧幀又是有局部變量區(qū)和操作數(shù)棧兩部分組成，局部變量區(qū)用于存放方法中的局部變量和參數(shù)，操作數(shù)棧中用于存放方法執(zhí)行過程中產(chǎn)生的中間結(jié)果。棧的結(jié)構(gòu)如下圖所示：三、JVM內(nèi)存管理和垃圾回收JVM內(nèi)存組成結(jié)構(gòu)JVM棧由堆、棧、本地方法棧、方法區(qū)等部分組成，結(jié)構(gòu)圖如下所示:）堆所有通過new創(chuàng)建的對

10、象的內(nèi)存都在堆中分配，堆的大小可以通過-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(qū)，最后Survivor由From Space 和To Space組成，結(jié)構(gòu)圖如下所示：舊生代。用于存放新生代中經(jīng)過多次垃圾回收仍然存活的對象持久帶(Permanent Space )實現(xiàn)方法區(qū)，主要存放所有已加載的類信息， 方法信息，常量池等等。可通過-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize 來指定 持久帶初始化值和最大值。Permanent Space并不等同于方法區(qū)，只不過 是Hotspot JVM用Permanent Space來實現(xiàn)

11、方法區(qū)而已，有些虛擬機沒有 Permanent Space而用其他機制來實現(xiàn)方法區(qū)。-KX： MaxP9rmSze-FermSiztr-Xnrx-Krrg-SOCjMaxNewSize，如：-Xmx512m-Xmx: 最大堆內(nèi)存-Xms: 初始時堆內(nèi)存 ，如：-Xms256m-XX:NewSize:個 Survivor初始時年輕區(qū)內(nèi)存.通常為 Xmx空間。實際可用空間為=Eden + 1的1/3 或1/4。新生代 =Eden + 2個 Survivor ,即 90%-XX:MaxNewSize:最大年輕區(qū)內(nèi)存-XX:MaxPermSize:最大持久帶內(nèi)存-XX:PermSize:初始時持久帶內(nèi)

12、存-XX:+PrintGCDetails 。打印 GC 信息-XX:NewRatio新生代與老年代的比例，如 XX:NewRatio=2 ,則新生代占整個堆空間的1/3 ,老年代占2/3-XX:SurvivorRatio新生代中Eden 與Survivor的比值。默認值為 8。即 Eden 占新生代空間的8/10 ,另外兩個 Survivor 各占1/102）棧每個線程執(zhí)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量區(qū)和操作數(shù)棧，用于存放此次方法調(diào)用過程中的臨時變量、參數(shù)和中間結(jié)果。-xss:設置每個線程的堆棧大小 .JDK1.5+ 每個線程堆棧大小為1M , 一般來說如果棧不是

13、很深的話，1M 是絕對夠用了的。3)本地方法棧用于支持native方法的執(zhí)行，存儲了每個 native方法調(diào)用的狀態(tài)4)方法區(qū)存放了要加載的類信息、靜態(tài)變量、final類型的常量、屬性和方法信息。 JVM用持久代(Permanet Generation -來存放方法區(qū)，可通過 -XX:PermSize 和-XX:MaxPermSize 來指定最小值和最大值垃圾回收按照基本回收策略分引用計數(shù)(Reference Counting ):比較古老的回收算法。原理是此對象有一個引用，即增加一個計數(shù)，刪除一個引用則減少一個計數(shù)。垃圾回收時，只用收集計數(shù)為0的對象。此算法最致命的是無法處理循環(huán)引用的問題。

14、標記-清除(Mark-Sweep )Before GCAfter GC此算法執(zhí)行分兩階段。第一階段從引用根節(jié)點開始標記所有被引用的對象，第二階段遍歷整個堆，把未標記的對象清除。此算法需要暫停整個應用，同時，會產(chǎn)生內(nèi)存碎片。復制（Copying ）:Before GC此算法把內(nèi)存空間劃為兩個相等的區(qū)域，每次只使用其中一個區(qū)域。垃圾回收時，遍歷當前使用區(qū)域，把正在使用中的對象復制到另外一個區(qū)域中。算法每次只處理正在使用中的對象，因此復制成本比較小，同時復制過去以后還能進行相應的內(nèi)存整理，不會出現(xiàn)“碎片”問題。當然，此算法的缺點也是很明顯的，就是需要兩倍內(nèi)存空間。標記-整理(Mark-Compact

15、 )Before GCAfter GC此算法結(jié)合了 “標記-清除”和“復制”兩個算法的優(yōu)點。也是分兩階段，第一階段從根節(jié)點開始標記所有被引用對象， 第二階段遍歷整個堆，把清除未標記對象并且把存活對象 “壓 縮”到堆的其中一塊，按順序排放。此算法避免了 “標記-清除”的碎片問題，同時也避免了 “復制”算法的空間問題。JVM分別對新生代和舊生代采用不同的垃圾回收機制新生代的GC:新生代通常存活時間較短， 因此基于Copying算法來進行回收，所iC Copying算法就 是掃描出存活的對象，并復制到一塊新的完全未使用的空間中，對應于新生代，就是在Eden和From Space或To Space之間

16、copy。新生代采用空閑指針的方式來控制 GC觸發(fā)，指 針保持最后一個分配的對象在新生代區(qū)間的位置，當有新的對象要分配內(nèi)存時， 用于檢查空間是否足夠，不夠就觸發(fā) GC。當連續(xù)分配對象時，對象會逐漸從 eden到survivor ,最后 到舊生代。在執(zhí)行機制上 JVM提供了串行 GC (Serial GC )、并行回收 GC (Parallel Scavenge )和 并行 GC (ParNew )1)串行GC在整個掃描和復制過程采用單線程的方式來進行，適用于單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 級別默認的GC方式，可以通過 -XX:+UseSerialGC

17、 來強制指定2)并行回收GC在整個掃描和復制過程采用多線程的方式來進行，適用于多CPU、對暫停時間要求較短的應用上，是server級別默認采用的 GC方式，可用-XX:+UseParallelGC 來強制指定，用 -XX:ParallelGCThreads=4 來指定線程數(shù)3)并行GC與舊生代的并發(fā)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(wěn)定，因此采用標記( Mark )算法 來進行回收，所謂標記就是掃描出存活的對象，然后再進行回收未被標記的對象，回收后對用空出的空間要么進行合并，要么標記出來便于下次進行分配，總之就是要減少內(nèi)存碎片帶來的效率損耗。在執(zhí)行機制上

18、JVM提供了串行 GC(Serial MSC )、并行GC(parallel MSC ) 和并發(fā)GC (CMS),具體算法細節(jié)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串行GC串行GC-XX:+UseParallelGC并行回收GC并行GC-XX:+UseConeMarkSweepGC并行GC并發(fā)GC-XX:+UseParNewGC并行GC串行GC-XX:+UseParallelOldGC并行回收GC并行GC-XX:+ UseConeMarkSweepGC串行GC并發(fā)GC-XX:+UsePar

19、NewGC不支持的組合1、-XX:+UseParNewGC -XX:+UseParallelOldGC2、-XX:+UseParNewGC -XX:+UseSerialGC四、JVM內(nèi)存調(diào)優(yōu)首先需要注意的是在對 JVM內(nèi)存調(diào)優(yōu)的時候不能只看操作系統(tǒng)級別Java進程所占用的內(nèi)存，這個數(shù)值不能準確的反應堆內(nèi)存的真實占用情況，因為GC過后這個值是不會變化的，因此內(nèi)存調(diào)優(yōu)的時候要更多地使用JDK提供的內(nèi)存查看工具，比如JConsole和JavaVisualVM 。對JVM內(nèi)存的系統(tǒng)級的調(diào)優(yōu)主要的目的是減少GC的頻率和Full GC的次數(shù)，過多的GC和Full GC是會占用很多的系統(tǒng)資源（主要是 CPU

20、）,影響系統(tǒng)的吞吐量。特別要關(guān)注 Full GC ,因為它會對整個堆進行整理，導致 Full GC 一般由于以下幾種情況：舊生代空間不足調(diào)優(yōu)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創(chuàng)建過大的對象及數(shù)組避免直接在舊生代創(chuàng)建對象Pemanet Generation 空間不足增大Perm Gen空間，避免太多靜態(tài)對象統(tǒng)計得到的GC后晉升到舊生代的平均大小大于舊生代剩余空間控制好新生代和舊生代的比例System.gc（）被顯示調(diào)用垃圾回收不要手動觸發(fā)，盡量依靠JVM自身的機制調(diào)優(yōu)手段主要是通過控制堆內(nèi)存的各個部分的比例和GC策略來實現(xiàn)，下面來看看各部分比例不良設置會導致什么

21、后果1）新生代設置過小一是新生代GC次數(shù)非常頻繁，增大系統(tǒng)消耗；二是導致大對象直接進入舊生代，占據(jù)了舊生代剩余空間，誘發(fā) Full GC2）新生代設置過大一是新生代設置過大會導致舊生代過小（堆總量一定），從而誘發(fā)Full GC;二是新生代GC耗時大幅度增加一般說來新生彳t占整個堆1/3比較合適Survivor設置過小導致對象從eden直接到達舊生代，降低了在新生代的存活時間Survivor設置過大導致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內(nèi)存管理和垃圾回收可知新生代和舊生代都有多種GC策略和組合搭配，選擇這些策略對于我們這些開發(fā)人員是個難題，JVM提供兩種較為簡單的 GC策略的設置方式1）吞吐量優(yōu)先JVM以吞吐量為指標，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，來達到吞吐量指標。這個值可由-XX:GCTimeRatio=n 來設置2）暫停時間優(yōu)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(shù)值范圍內(nèi)完成。這個值可由 -XX:MaxGCPa