JVM體系四大塊:

• 類的加載
• JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)
• GC算法 垃圾回收
• GC分析 性能調(diào)優(yōu)
• 執(zhí)行引擎

JVM架構(gòu)圖

jvm.arch

一、類的加載機制

類的加載
類的加載，將class文件讀入方法區(qū)，然后在堆中創(chuàng)建java.lang.Class對象。類的加載最終是生成堆區(qū)中的Class對象。Class對象封裝類在方法區(qū)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并提供訪問方法區(qū)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的接口。

類的生命周期
類的生命周期包括：加載、連接、初始化、使用和卸載，其中前三步是類的加載過程。

class.lifecycle

• 加載，查找并加載類的二進制數(shù)據(jù)，在Java堆中創(chuàng)建Class類的對象。
• 鏈接，
  • 驗證，文件格式、元數(shù)據(jù)、字節(jié)碼、符號引用的驗證。
  • 準備，為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存，并初始化為默認值。
  • 解析，把類中的符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用。
• 初始化，為類的靜態(tài)變量賦予手動設(shè)置的初始值。
• 使用，new出對象，在程序中使用。
• 卸載，執(zhí)行垃圾回收。

幾個小問題

1、JVM初始化步驟 ？ 2、類初始化時機 ？3、哪幾種情況下，Java虛擬機將結(jié)束生命周期？

答案參考 jvm系列(一):java類的加載機制

類加載器

啟動類加載器：Bootstrap ClassLoader，擴展類加載器：Extension ClassLoader，應(yīng)用程序類加載器：Application ClassLoader。

類加載機制
全盤負責(zé)，當一個類加載器負責(zé)加載某個Class時，該Class所依賴的和引用的其他Class也由該類加載器負責(zé)載入，除非顯示使用另外一個類加載器來載入。
父類委托，先讓父類加載器嘗試加載該類，只有在父類加載器無法加載時才從自己的類路徑中加載該類。
緩存機制，緩存機制保證所有加載過的Class都會被緩存。當程序中需要使用某個Class時，類加載器先從緩存區(qū)尋找該Class，只有緩存區(qū)中不存在，系統(tǒng)才會讀取該類對應(yīng)的二進制數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成Class對象存入緩存區(qū)。這就是為什么修改了Class后，必須重啟JVM，程序的修改才會生效。

二、JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)

jvm內(nèi)存結(jié)構(gòu)

• Java堆（Heap），只存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這里。
• 方法區(qū)（Method Area），存儲已被加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼。
• 程序計數(shù)器（Program Counter Register），當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。
• JVM棧（JVM Stacks），其生命周期與線程相同。虛擬機棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：方法被執(zhí)行的時候同時會創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame）用于存儲局部變量表、操作棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。方法從被調(diào)用到執(zhí)行完成的過程，就對應(yīng)著棧幀在棧中從入棧到出棧的過程。
• 本地方法棧（Native Method Stacks），與虛擬機棧類似，虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行Java方法（字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧為虛擬機使用到的Native方法服務(wù)。

對象分配規(guī)則

• 對象優(yōu)先分配在Eden區(qū)，如果Eden區(qū)沒有足夠空間時，執(zhí)行minor GC。
• 大對象直接進入老年代。可以避免在eden區(qū)和兩個survivor區(qū)之間發(fā)生大量的內(nèi)存拷貝（新生代采用復(fù)制算法收集內(nèi)存）。
• 長期存活的對象進入老年代。虛擬機為對象定義了一個年齡計數(shù)器，如果對象經(jīng)過了1次minor GC那么對象會進入survivor區(qū)，之后每經(jīng)過一次minor GC那么對象的年齡加1，直到達到閥值，對象進入老年區(qū)。
• 動態(tài)判斷對象的年齡。如果survivor區(qū)中相同年齡的所有對象大小的總和大于survivor空間的一半，年齡大于或等于該年齡的對象直接進入老年代。
• 空間分配擔(dān)保。每次進行minor GC時，JVM計算survivor區(qū)移至老年區(qū)的對象的平均大小，如果這個值大于老年區(qū)的剩余值則進行一次full GC。如果小于檢查HandlePromotionFailure參數(shù)值，則只進行minor GC，否則進行Full GC。

三、GC算法 垃圾回收

1、對象存活判斷方式

• 引用計數(shù)：每個對象有一個引用計數(shù)屬性，新增一個引用時計數(shù)加1，引用釋放時減1，計數(shù)為0時可以回收。此方法簡單，但無法解決對象循環(huán)引用的問題。
• 可達性分析：從GC roots向下搜索，搜索所走過的路徑稱為引用鏈。當對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連時，則證明此對象是不可用的，不可達對象。
  GC roots包括：虛擬機棧中引用的對象。本地方法棧中JNI引用的對象。 方法區(qū)中類靜態(tài)屬性、常量引用的對象。

2、GC算法

• 標記 -清除（Mark-Sweep）算法，分為“標記”和“清除”兩個階段：首先標記出所有需要回收的對象，在標記完成后回收所有被標記的對象。
• 復(fù)制算法（Copying），將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當這一塊的內(nèi)存用完了，就將還存活的對象復(fù)制到另外一塊上，然后再把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉。
• 標記-整理算法，標記過程與“標記-清除”算法一樣，但后續(xù)步驟是讓所有存活的對象向一端移動，然后清理掉端邊界以外的內(nèi)存。
• 分代收集算法（Generational Collection），把堆分為新生代和老年代，根據(jù)各年代的特點采用適當?shù)氖占惴ā＃?*常用）
• 分區(qū)

3、垃圾回收器

• Serial回收器，是最古老，最穩(wěn)定以及效率高的收集器，可能會產(chǎn)生較長的停頓，只能用一個線程回收。
• ParNew回收器，ParNew收集器是Serial收集器的多線程版本。
• Parallel Scavenge回收器，類似ParNew收集器，Parallel收集器更關(guān)注系統(tǒng)的吞吐量。
• CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器，以獲取最短回收停頓時間為目標的收集器。
• G1(Garbage-First)收集器，是面向服務(wù)器的垃圾收集器，主要針對配備多顆處理器及大容量內(nèi)存的機器。以極高概率滿足GC停頓時間的同時，還具備高吞吐量。

三、GC分析 性能調(diào)優(yōu)

1、GC日志分析

[GC [<collector>: <starting occupancy1> -> <ending occupancy1>, <pause time1> secs] <starting occupancy3> -> <ending occupancy3>, <pause time3> secs] [Times: user=secs sys=secs, real=secs]

<collector>GC收集器的名稱
<starting occupancy1> 新生代在GC前占用的內(nèi)存
<ending occupancy1> 新生代在GC后占用的內(nèi)存
<pause time1> 新生代局部收集時jvm暫停處理的時間
<starting occupancy3> JVM Heap 在GC前占用的內(nèi)存
<ending occupancy3> JVM Heap 在GC后占用的內(nèi)存
<pause time3> GC過程中jvm暫停處理的總時間
<user>用戶時間
<sys>系統(tǒng)時間
<real>實際時間

4.231: [GC 4.231: [DefNew: 4928K->512K(4928K), 0.0044047 secs] 6835K->3468K(15872K), 0.0045291secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

4.445: [Full GC (System) 4.445: [Tenured: 2956K->3043K(10944K), 0.1869806 secs] 4034K->3043K(15872K), [Perm : 3400K->3400K(12288K)], 0.1870847secs] [Times: user=0.05 sys=0.00, real=0.19 secs]

最前面的數(shù)字 4.231 和 4.445 代表虛擬機啟動以來的秒數(shù)。
接下來的 [DefNew , [Tenured , [Perm 表示 GC 發(fā)生的區(qū)域，區(qū)域的名稱與使用的 GC 收集器相關(guān)。 Serial 收集器中新生代名為 "Default New Generation"，顯示的名字為 "[DefNew"。ParNew收集器顯示的是 "[ParNew"， “Parallel New Generation”。 Parallel Scavenge 收集器新生代名為 "PSYoungGen"。年老代和永久代名稱也都由收集器決定。
方括號內(nèi)部顯示的 “4928K->512K(4928K)” 表示 “GC 前該區(qū)域已使用容量 -> 垃圾回收后該區(qū)域已使用容量 (該區(qū)域內(nèi)存總?cè)萘? ”。
再往后的 “0.0044047 secs” 表示該區(qū)域GC所用時間，單位是秒。
再往后的 “6835K->3468K(15872K)” 表示 “GC 前Java堆已使用容量 -> GC后Java堆已使用容量 （Java堆總?cè)萘浚薄?br> 再往后的 “0.0045291 secs” 是Java堆GC所用的總時間。
最后的 “[Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]” 分別代表用戶態(tài)消耗的CPU時間、內(nèi)核態(tài)消耗的CPU時間和操作從開始到結(jié)束所經(jīng)過的墻鐘時間。
墻鐘時間包括各種非運算的等待耗時，如IO等待、線程阻塞。CPU時間不包括等待時間，當系統(tǒng)有多核時，多線程操作會疊加這些CPU時間，所以user或sys時間會超過real時間。

2、調(diào)優(yōu)命令

JDK監(jiān)控和故障處理命令

• jps，顯示指定系統(tǒng)內(nèi)所有的HotSpot虛擬機進程。
• jstat，用于監(jiān)視虛擬機運行時狀態(tài)信息，可以顯示出虛擬機進程中的類裝載、內(nèi)存、垃圾收集、JIT編譯等運行數(shù)據(jù)。
• jmap，生成heap dump文件。
• jhat，與jmap搭配使用，分析jmap生成的dump，jhat內(nèi)置了一個微型的HTTP/HTML服務(wù)器，生成dump的分析結(jié)果后，可以在瀏覽器中查看。
• jstack，生成java虛擬機當前時刻的線程快照。
• jinfo，實時查看和調(diào)整虛擬機運行參數(shù)。

3、調(diào)優(yōu)工具

常用調(diào)優(yōu)工具分為兩類，jdk自帶監(jiān)控工具：jconsole和jvisualvm；第三方有：MAT(Memory Analyzer Tool)。

• jconsole，是從java5開始，JDK自帶的java監(jiān)控和管理控制臺，用于對JVM中內(nèi)存，線程和類等的監(jiān)控。
• jvisualvm，jdk自帶全能工具，可以分析內(nèi)存快照、線程快照；監(jiān)控內(nèi)存變化、GC變化等。
• MAT，Memory Analyzer Tool，基于Eclipse的內(nèi)存分析工具，是一個快速、功能豐富的Java heap分析工具，它可以幫助我們查找內(nèi)存泄漏和減少內(nèi)存消耗。

四、執(zhí)行引擎

分配給運行時數(shù)據(jù)區(qū)的字節(jié)碼將由執(zhí)行引擎執(zhí)行，執(zhí)行引擎讀取字節(jié)碼并逐個執(zhí)行。
(1) 解釋器：解釋器更快地解釋字節(jié)碼，但執(zhí)行緩慢。解釋器的缺點是當一個方法被調(diào)用多次時，每次都需要一個新的解釋。

(2) JIT編譯器：JIT編譯器消除了解釋器的缺點。執(zhí)行引擎將在轉(zhuǎn)換字節(jié)碼時使用解釋器的幫助，但是當它發(fā)現(xiàn)重復(fù)的代碼時，將使用JIT編譯器，編譯整個字節(jié)碼并將其更改為本地代碼。這個本地代碼將直接用于重復(fù)的方法調(diào)用，這提高了系統(tǒng)的性能。JIT的構(gòu)成組件為：

• 中間代碼生成器（Intermediate Code Generator）：生成中間代碼。
• 代碼優(yōu)化器（Code Optimizer）：優(yōu)化上面生成的中間代碼。
• 目標代碼生成器（Target Code Generator）：生成機器代碼或本地代碼。
• 分析器（Profiler）：查找熱點，即該方法是否被多次調(diào)用。

(3) 垃圾收集器(Garbage Collector)：收集和刪除未引用的對象。可以通過調(diào)用“System.gc（）”觸發(fā)垃圾收集，但不保證立即執(zhí)行。

Java本機接口（JNI）：JNI與本機方法庫進行交互，并提供執(zhí)行引擎所需的本機庫。
本地方法庫（Native Method Libraries）：它是執(zhí)行引擎所需的本機庫的集合。

參考

jvm系列(一):java類的加載機制
jvm系列(二):JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)
jvm系列(三):GC算法 垃圾收集器
jvm系列(四):jvm調(diào)優(yōu)-命令篇
jvm系列(七):jvm調(diào)優(yōu)-工具篇
http://www.ityouknow.com/
如何合理的規(guī)劃一次jvm性能調(diào)優(yōu)