JVM原理讲解和调优_jvm原理及性能调优

一、什么是JVM 

    JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

    Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行，至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。这就是Java的能够“一次编译，到处运行”的原因。

   从Java平台的逻辑结构上来看，我们可以从下图来了解JVM：

    从上图能清晰看到Java平台包含的各个逻辑模块，也能了解到JDK与JRE的区别，对于JVM自身的物理结构，我们可以从下图鸟瞰一下：

二、JAVA代码编译和执行过程

Java代码编译是由Java源码编译器来完成，流程图如下所示：

Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成，流程图如下所示：

Java代码编译和执行的整个过程包含了以下三个重要的机制：

1. Java源码编译机制
2. 类加载机制
3. 类执行机制

Java源码编译机制

Java 源码编译由以下三个过程组成：

分析和输入到符号表

注解处理

语义分析和生成class文件

流程图如下所示：

最后生成的class文件由以下部分组成：

结构信息。包括class文件格式版本号及各部分的数量与大小的信息

元数据。对应于Java源码中声明与常量的信息。包含类/继承的超类/实现的接口的声明信息、域与方法声明信息和常量池

方法信息。对应Java源码中语句和表达式对应的信息。包含字节码、异常处理器表、求值栈与局部变量区大小、求值栈的类型记录、调试符号信息

类加载机制

JVM的类加载是通过ClassLoader及其子类来完成的，类的层次关系和加载顺序可以由下图来描述：

加载过程中会先检查类是否被已加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查，只要某个classloader已加载就视为已加载此类，保证此类只被ClassLoader加载一次。而加载的顺序是自顶向下，也就是说当发现这个类没有的时候会先去让自己的父类去加载，父类没有再让儿子去加载。

例：重写第一个个Sring一样的类，用App ClassLoader去加载，无法加载成功。因为Bootstrap ClassLoader会先加载，所以App ClassLoader就不会再去加载我们写的String类了，导致我们写的String类是没有被加载的。 不同的类加载器，加载同一个源class，会创建不同的 class 对象

1）Bootstrap ClassLoader

负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++实现，不是ClassLoader子类

2）Extension ClassLoader

负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包

3）App ClassLoader

负责记载classpath中指定的jar包及目录中class

4）Custom ClassLoader

    属于应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader加载过程中会先检查类是否被已加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查，只要某个classloader已加载就视为已加载此类，保证此类只所有ClassLoader加载一次。而加载的顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试加载此类。

类执行机制

JVM是基于栈的体系结构来执行class字节码的。线程创建后，都会产生程序计数器（PC）和栈（Stack），程序计数器存放下一条要执行的指令在方法内的偏移量，栈中存放一个个栈帧，每个栈帧对应着每个方法的每次调用，而栈帧又是有局部变量区和操作数栈两部分组成，局部变量区用于存放方法中的局部变量和参数，操作数栈中用于存放方法执行过程中产生的中间结果。栈的结构如下图所示：

三、JVM内存管理和垃圾回收

3.1JVM内存组成结构

JVM栈由堆、栈、本地方法栈、方法区等部分组成，结构图如下所示：

1）堆

    所有通过new创建的对象的内存都在堆中分配，堆的大小可以通过-Xmx和-Xms来控制。堆被划分为新生代和旧生代，新生代又被进一步划分为Eden和Survivor区，最后Survivor由From Space和To Space组成，结构图如下所示：

新生代。新建的对象都是用新生代分配内存，Eden空间不足的时候，会把存活的对象转移到Survivor中，新生代大小可以由-Xmn来控制，也可以用-XX:SurvivorRatio来控制Eden和Survivor的比例

老年代。用于存放新生代中经过多次垃圾回收仍然存活的对象

持久带（Permanent Space）实现方法区，主要存放所有已加载的类信息，方法信息，常量池等等。可通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来指定持久带初始化值和最大值。Permanent Space并不等同于方法区，只不过是Hotspot JVM用Permanent Space来实现方法区而已，有些虚拟机没有Permanent Space而用其他机制来实现方法区。（注：java8中去掉了持久代移到元空间里Java 8新特性探究（九）跟OOM：Permgen说再见吧 - OOM - OSCHINA - 中文开源技术交流社区）

-Xmx:最大堆内存,如：-Xmx512m

-Xms:初始时堆内存,如：-Xms256m

-XX:MaxNewSize:最大年轻区内存

-XX:NewSize:初始时年轻区内存.通常为 Xmx 的 1/3 或 1/4。新生代 = Eden + 2 个 Survivor 空间。实际可用空间为 = Eden + 1 个 Survivor，即 90%

-XX:MaxPermSize:最大持久带内存

-XX:PermSize:初始时持久带内存

-XX:+PrintGCDetails。打印 GC 信息

 -XX:NewRatio 新生代与老年代的比例，如 –XX:NewRatio=2，则新生代占整个堆空间的1/3，老年代占2/3

 -XX:SurvivorRatio 新生代中 Eden 与 Survivor 的比值。默认值为 8。即 Eden 占新生代空间的 8/10，另外两个 Survivor 各占 1/10

2）方法区

• Java 8之前

方法区是Java堆的一部分。存放了要加载的类信息、静态变量、属性和方法信息。JVM用持久代（Permanet Generation）来存放方法区

• -XX:PermSize 设置方法区的初始大小
• -XX:MaxPermSize 设置方方法区最大值。

方法区存储的东西：

1. 已加载的类信息：包括类的名称、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。
2. 常量池：包含了编译期生成的各种字面量和符号引用。
3. 静态变量：静态变量数据也是存储在方法区中。
4. 即时编译器编译后的代码数据。

• JDK 8开始及以后

Oracle的HotSpot JVM用元空间取代了持久代。元空间并不在虚拟机堆内存中，而是使用本地内存（即操作系统的内存)。

• -XX:MetaspaceSize：设置元空间的初始大小。