JVM基本結(jié)構(gòu)

jvm基本結(jié)構(gòu)

PC寄存器

• 每個線程擁有一個PC寄存器
• 線程創(chuàng)建時創(chuàng)建PC寄存器
• 指向下一條指令的地址
• 執(zhí)行本地方法時，PC的值是undefind

方法區(qū)：用來保存類的一些元信息的（例外，jdk1.7String的常量信息已經(jīng)移到了堆）

• 類的常量池
• 字段方法信息
• 方法字節(jié)碼
• 通常和永久區(qū)（Perm關(guān)聯(lián)在一起）
  永久區(qū)并不是永久不變的，只是相對的穩(wěn)定

堆

• 和程序開發(fā)密切相關(guān)
• 應(yīng)用程序?qū)ο蠖急４嬖趈ava堆中
• 所有線程共享java堆
• 對于GC來說，堆也是分代的
• GC的主要工作區(qū)間

桟：

• 線程私有的
• 由一系列幀組成（因此java桟也叫做幀桟）
• 幀保存一個方法的局部變量，操作數(shù)桟，常量池指針

• 每一次方法調(diào)用創(chuàng)建一個幀，并壓桟

  
  
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  reference this 類比于python中的成員方法必須傳self

操作數(shù)桟

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桟上分配

• 小對象（一般幾十個bytes），在沒有逃逸（這個對象在其他線程也會使用到）的情況下，可以直接分配在桟上。
• 直接分配在桟上，可以自動回收，減輕GC壓力
• 大對象或者逃逸對象無法再桟上分配。

堆、桟、方法區(qū)的交互

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java的內(nèi)存模型

• 每個線程中有一個工作內(nèi)存和主存獨(dú)立
• 工作內(nèi)存存放主存中變量的拷貝
• 可見性：一個線程修改了某個變量，其他線程立即知道
• 有序性：
  在本線程內(nèi)，操作都是有序的
  在線程外觀察，操作都是無序的（指令重排或主內(nèi)存同步延時）

編譯和解釋運(yùn)行的概念

• 解釋執(zhí)行：
  解釋執(zhí)行以解釋方式運(yùn)行字節(jié)碼
  解釋執(zhí)行的意思是：讀一句執(zhí)行一句
• 編譯運(yùn)行(JIT):
  將字節(jié)碼編譯成機(jī)器碼
  直接執(zhí)行機(jī)器碼
  運(yùn)行時編譯
  編譯后性能有數(shù)量級的提升

GC的概念

• 全稱Garbage Collection
• 1960 List語言首先使用GC
• java中，GC管理堆空間和永久區(qū)

GC算法

引用計數(shù)法

• 概念：通過引用計算來回收垃圾
• 使用者：COM，Python，ActionScript3
• 原理：
  引用計數(shù)器的實(shí)現(xiàn)很簡單,對于一個對象A,只要有任何一個對象引用了A,則A的引用計數(shù)器就 加1,當(dāng)引用失效時,引用計數(shù)器就減1。只要對象A的引用計數(shù)器的值為0,則對象A就不可能再被使用。
• 缺點(diǎn)：引用和去引用伴隨著加法和減法，影響性能

• 很難處理循環(huán)引用（垃圾對象的循環(huán)引用，也就是那三個點(diǎn)不會被回收）

  
  
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標(biāo)記清除法

• 原理：
  將垃圾回收分為兩個階段：標(biāo)記階段和清除階段。在標(biāo)記階段，首先通過根節(jié)點(diǎn)，標(biāo)記所有從根節(jié)點(diǎn)開始的可達(dá)對象，因此，未標(biāo)記對象就是未引用的垃圾對象，然后在清除階段清除所有未標(biāo)記的對象。
• 適用場合：適用于存活對象較多的場合，如老年代。

標(biāo)記壓縮法

• 原理
  它在標(biāo)記清除法的基礎(chǔ)上做了一些優(yōu)化。和標(biāo)記清除法一樣，標(biāo)記壓縮算法也是從根節(jié)點(diǎn)開始，對所有的對象做一次標(biāo)記。但之后，它并不是簡單的清理未標(biāo)記的對象，而是將所有的的存活對象壓縮到內(nèi)存的一端，之后清理邊界外的所有空間。
• 優(yōu)勢：
  能夠整理內(nèi)存碎片，避免分配大對象時，空間不夠?qū)е翭ullGC
• 適用場合：適用于存活對象較多的場合，如老年代。

復(fù)制算法

• 原理：
  將原有的內(nèi)存分為兩塊，每次只是用其中一塊，在垃圾回收時，將正在使用的內(nèi)存中的存活對象復(fù)制到未使用的內(nèi)存塊中，之后清除正在使用的內(nèi)存塊中的所有對象，交換兩個內(nèi)存的角色，完成垃圾回收
• 優(yōu)點(diǎn)：與標(biāo)記清除法相比，復(fù)制算法是一種相對高效的回收算法
• 缺點(diǎn)：浪費(fèi)空間
• 適用場合：適用于存活對象較少的場合，如新生代。

復(fù)制算法的優(yōu)化：整合標(biāo)記清除思想

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• 當(dāng)垃圾回收進(jìn)行的時候，大對象進(jìn)入擔(dān)?？臻g（因為復(fù)制空間一般不大）
• 老年對象（好幾次回收都沒有被回收掉的對象）進(jìn)入老年代

可觸及性

可觸及的：

從根節(jié)點(diǎn)可以觸及到這個對象

可復(fù)活的：

一旦所有引用被釋放，就是可復(fù)活狀態(tài)，因為在finalize()中可能復(fù)活該對象

不可觸及

• 在finalize()之后，可能會進(jìn)入不可觸及狀態(tài)
• 不可觸及狀態(tài)不可能復(fù)活

• 可以回收

  
  
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  第一次GC調(diào)用finalize()方法，因為覆寫了finalize()方法，復(fù)活了obj，所以第一次obj不是nul，finalize()方法只會被調(diào)用一次，第二次gc，obj就不能復(fù)活了

根

• 桟中引用的對象
• 方法區(qū)中靜態(tài)成員或者常量的引用 （全局對象）
• JNI方法桟中的引用對象

Stop-The-World

• java中的一種全局停頓現(xiàn)象
• 全局停頓，所有java代碼停止，native可以執(zhí)行，但不能和jvm交互
• 多半由于GC引起
• 原因：類比一邊開party，一邊打掃衛(wèi)生，只能讓大家停下來才能掃干凈。
• 危害：長時間服務(wù)停止，沒有響應(yīng)；遇到HA系統(tǒng)，可能引起主備切換，嚴(yán)重危害環(huán)境。

GC參數(shù)

串行收集器（GC線程只有一個）

最古老，最穩(wěn)定，效率高，可能產(chǎn)生較長的停頓
-XX:+UseSerialGC:
新生代、老年代使用串行回收
新生代使用復(fù)制算法，老年代使用標(biāo)記壓縮算法

并行收集器（GC線程有多個）

ParNew：

• -XX:+UseParNewGC:
• 新生代并行，老年代還是串行
• -XX:+ParallelGCThreads 限制線程數(shù)量

Parallel收集器

• 類似ParNew
• 新生代復(fù)制算法
• 老年代標(biāo)記壓縮算法
• 更加關(guān)注吞吐量
• -XX:+UseParallelGC
  老年代串行
• -XX:+UseParallelOldGC
  老年代并行
• XX:MaxGCPauseMills
  最大停頓時間
• XX:GCTimeRatio
  0-100取值范圍
  垃圾收集時間占總時間比
  默認(rèn)99，即最大允許1%時間做GC
• 兩個參數(shù)是矛盾的。因為停頓時間和吞吐量不可能同時調(diào)優(yōu)

CMS收集器

• Concurrent Mark Sweep 并發(fā)標(biāo)記清除（并發(fā)指的是和應(yīng)用程序一起執(zhí)行）
• 標(biāo)記清除算法
• 并發(fā)階段會降低吞吐量
• 老年代收集器（新生代使用ParNew）
• XX:+UseConcMarkSweepGC

• 停頓時間較少
  -過程比較復(fù)雜
  初始標(biāo)記：根可以直接關(guān)聯(lián)到的對象，速度快
  并發(fā)標(biāo)記（和用戶線程一起）：主要標(biāo)記過程，標(biāo)記全部對象
  重新標(biāo)記：由于并發(fā)標(biāo)記時，用戶線程依然運(yùn)行，因此在正式清理前，再做修正
  并發(fā)清理（和用戶線程一起）基于標(biāo)記結(jié)果，直接清理對象

  
  
  CMS收集器
• 清理不徹底
• 不能在空間快滿的時候清理
• -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction設(shè)置觸發(fā)GC的閾值

• 如果不幸預(yù)留的空間不夠，就會引起concurrent mode failure

  
  
  CMS不用標(biāo)記壓縮但是也會使用命令進(jìn)行整理碎片

GC參數(shù)整理

GC參數(shù)整理

GC參數(shù)整理

類裝載器

class轉(zhuǎn)載驗證流程

加載

• 裝載類的第一個階段
• 取得類的二進(jìn)制流
• 轉(zhuǎn)為方法區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
• 在java堆中生成對應(yīng)的java.Lang.Class對象

鏈接

• 驗證：
  目的是保證Class流的格式正確
  文件格式驗證：
  ? ? ? ?是否以0xCAFEBABE開頭
  ? ? ? ?版本號是否合理
  元數(shù)據(jù)驗證：
  ? ? ? ?是否有父類
  ? ? ? ?是否繼承了final類
  ? ? ? ?非抽象類實(shí)現(xiàn)了所有抽象方法
  字節(jié)碼驗證（很復(fù)雜）：
  ? ? ? ?運(yùn)行檢查
  ? ? ? ?桟數(shù)據(jù)類型和操作碼數(shù)據(jù)是否吻合
  ? ? ? ?跳轉(zhuǎn)指令指定到合理的位置
  符號引用驗證：
  ? ? ? ?常量池描述類是否存在
  ? ? ? ?訪問的方法或字段是否存在且足夠的權(quán)限
• 準(zhǔn)備：
  分配內(nèi)存，并為類設(shè)置初始值（方法區(qū)中）
  ? ? ? ?public static int v=1
  ? ? ? ?在準(zhǔn)備階段，v會被設(shè)置為0
  ? ? ? ?在初始化的<clinit>中才會被設(shè)置為1
  ? ? ? ?對于static final類型，在準(zhǔn)備階段就會被賦值
• 解析：
  將符號引用替換為直接引用
  符號引用：字符串，引用對象不一定被加載。就是一個類的字符串表現(xiàn)，比如說"java.lang.Object"
  直接引用：指針或地址偏移量，引用對象一定在內(nèi)存

初始化

• 執(zhí)行類的構(gòu)造器<clinit>
  static 變量 賦值語句
  static{}語句
• 子類的<clinit>調(diào)用前保證父類的<clinit>被調(diào)用
• <clinit>是線程安全的

什么是ClassLoader

• ClassLoader是一個抽象類
• ClassLoader的實(shí)例將讀入java字節(jié)碼然后將類裝載到j(luò)vm中
• CLassLoader可以定制，滿足不懂的字節(jié)碼流獲取方式
• ClassLoader負(fù)責(zé)類裝載過程的加載階段

• 一些重要方法

  
  
  ClassLoader的重要方法

• ClassLoader的加載順序

  
  
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自底向上查詢類是否已經(jīng)加載，自頂向下嘗試加載類。
我們寫的類一般都是在App ClassLoader中加載的，如果要查詢一個類是否已經(jīng)被加載，先從App ClassLoader中查找，找不到再網(wǎng)上找。如果要加載一個類，先問一下Bootstrap ClassLoader有沒有，沒有再往下走。
雙親模式的問題：
BootstrapLoader不能查找App ClassLoader中的類
解決方法：Thread.setContextClassLoader()
這是一個上下文加載器，是一個角色，用以頂層ClassLoader無法訪問底層ClassLoader的問題，基本思想是在頂層ClassLoader中傳入底層ClassLoader實(shí)例

java堆的分析

內(nèi)存溢出（OOM）的原因

• 在jvm中的內(nèi)存區(qū)間劃分
  堆，永久區(qū)，線程桟，直接內(nèi)存
• 占用大量堆空間，直接溢出
• 永久區(qū)溢出，可以增大Perm區(qū)大小，運(yùn)行Class回收
• java棧溢出
  這里的桟指的是在創(chuàng)建線程的時候，需要為線程分配桟空間，這個桟空間是向操作系統(tǒng)請求的，如果操作系統(tǒng)無法給出足夠的空間，就會拋出OOM。解決辦法：減少堆內(nèi)存，減少線程桟的大小

鎖

Mark Word，對象頭標(biāo)記 32位

描述對象的hash，鎖信息，垃圾回收的年齡，標(biāo)記
指向鎖記錄的指針
指向monitor的指針
GC標(biāo)志
偏向鎖線程ID

偏向鎖

• 大部分情況下是沒有競爭的，所以可以通過偏向來提高性能
• 所謂的偏向，就是偏心，即鎖會偏向于當(dāng)前已經(jīng)占有的鎖的線程
• 將對象投Mark的標(biāo)記設(shè)置為偏向，并將線程ID寫入對象頭
• 只要沒有競爭，獲得偏向鎖的線程，在將來進(jìn)入同步快，不需要做同步
• 當(dāng)其他線程請求相同的鎖時，偏向模式結(jié)束
• 在競爭激烈的場合，偏向鎖會增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)

輕量級鎖 BasicObjectLock

• 嵌入在線程桟中對象
  包含兩個部分，一個是對象頭，另一個是指向持有這個鎖的對象的指針
• 普通的鎖處理性能不夠理想，輕量級鎖是一種快速鎖定的方法。
• 如果對象沒有被鎖定
  將對象頭的Mark指針保存到鎖對象中
  將對象頭設(shè)置為指向鎖的指針（在線程桟空間中）
• 如果輕量級鎖失敗，表示存在競爭，升級為重量級鎖（常規(guī)鎖）
• 在沒有競爭的前提下，減少傳統(tǒng)鎖使用OS互斥量產(chǎn)生的性能損耗
• 在競爭激烈時，輕量級鎖會多做很多額外的操作，導(dǎo)致性能下降。

自旋鎖

• 當(dāng)競爭存在時，如果線程可以很快獲得鎖，那么可以不在OS層掛起線程，讓線程做幾個空操作（自旋）
• 如果同步塊很長，自旋失敗，會降低系統(tǒng)性能
• 如果同步塊很短，自旋成功，節(jié)省線程掛起切換的時間，提升系統(tǒng)性能。

獲取鎖的流程

首先嘗試獲取偏向鎖，如果可用，進(jìn)入偏向模式，如果不可用，嘗試輕量級鎖，如果可用，使用輕量級鎖，到此結(jié)束，如果不可用，嘗試自旋鎖，如果成功，那就拿到鎖了，如果不成功，最后才會膨脹為重量鎖（普通鎖），在操作系統(tǒng)層面進(jìn)行掛起。

代碼層面鎖的優(yōu)化

減少鎖的持有時間

盡量使用同步代碼塊而不是同步方法

減小鎖的粒度

• 將大對象，拆成小對象，大大增加并行度，降低鎖競爭
• 偏向鎖，輕量級鎖成功率更高
• ConcurrentHashMap
  若干個Segment，一個Segment維護(hù)一個HashEntry，put操作時，先定為到Segment，鎖定一個Segment，執(zhí)行put
  減小鎖粒度后，ConcurrentHashMap允許多個線程同時進(jìn)入

鎖分離

• 根據(jù)功能分離
• ReadWriteLock
• 讀多寫少的情況，可以提高性能

鎖粗化

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鎖消除

在即時編譯時，如果發(fā)現(xiàn)不可能被共享的對象，則可以消除這些所的操作

無鎖

• CAS（Compare And Swap）
• 非阻塞同步
• CAS(V,E,N)
• 應(yīng)用層面判斷多線程的干擾,如果有干擾，則通知線程重試。