深入理解Java虚拟机JVM高级特性与最佳实践--笔记

时时更新，假装很厉害（其实就是逼自己坚持下去···）我不生产程序 我是程序的搬运工

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Part1 内存模型

1.运行时数据区域

运行时数据区域

• 程序计数器：空间小，线程私有，当前线程所执行的字节码的行号指示器。调用Native方法计数器的值为Undefined。唯一一个没有定义OutOfMemoryError情况的区域。
• Java虚拟机栈：线程私有，描述java方法执行的内存模型：每个方法执行创建栈帧，存储局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
• 本地方法栈：本地方法即Native方法，
  除次外与Java虚拟机栈几乎一一致，有些虚拟机（HotSpot, java8默认虚拟机）直接将两栈合二为一。
• java堆：线程共享，启动时创建，目的是存放对象实例，方便GC回收。
  • 分代收集算法：分为新生代和老年代，再细分有Eden空间、Form Survivor空间、To Survivor空间等。
• 方法区：多线程共享，存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。java堆的一个逻辑部分，别名Non-Heap(非堆)，目的与java堆分开。在HotSpot JVM中大家称为永久代，其他虚拟机不存在永久代概念，HotSpot也正在转变。
• 运行时常量池：方法区的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量和符合引用。
• 直接内存：不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是java虚拟机规范中定义的内存区域。使用场景NIO，Native函数库直接分配堆外内存，然后存储在java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。避免了java堆与Native堆来回复制数据。

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Part2对象创建

1.对象创建：

• new
• 检查指令参数是否可定位到类的符号引用
• 检查此类是否被加载、解析和初始化
• 虚拟机分配内存
  • 若内存绝对规整，则采用指针碰撞（指针向非空闲区域挪动对象需要的大小）否则采用空闲列表（在已用空间的空闲区域中找到足够大的内存），规整与否由GC是否带压缩整理功能决定（Serial、ParNew等采用Mark-Compact算法带Compact，CMS基于Mark-Sweep算法采用后者）
  • 保证原子性：
    1.CAS+失败重试
    2.TLAB（Thread Local Allocation Buffer）本地线程分配缓冲，保证更新操作的原子性。
• 初始化内存空间为零值，若TLAB则在TLAB分配时执行。
• 初始化对象实例（类元数据信息、对象哈希码、对象GC分代年龄等）
• 执行对象init方法（目测就是初始化变量值）

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2.对象内存布局：

• 对象头（Header）
  • Mark Word对象自身运行时数据（哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等）
  • 类型指针，指向它的类元数据的指针。
• 实例数据（Instance Data）
• 对齐填充（Padding）
  • 并不是必然存在，HostSpotVM对象地址必须是8字节的整数倍，所以需要对其。

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3.对象访问定位：

• 句柄访问：

  
  句柄访问

• 直接指针访问：

  
  指针访问

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Part3 GC

1.对象的存活状态：

• 引用计数算法：主流的Java虚拟机中都未使用这一算法。原因：当A对象引用B，B对象引用A，AB就计数就一直不为0也就不会被回收。
• 可达性分析算法： Java、C#、Lisp都用这以算法。思路：从“GC Roots”作为起点，当一个对象没有路径与GC Roots相连则证明这个对象无引用。

2.引用：JDK1.2之后引用分为四种（由强到弱）

• 强引用String Reference
• 软引用Soft Reference
• 弱引用Weak Reference
• 虚引用Phantom Reference

3.死亡标记：对象死亡至少需要两次标记，一次是可达性分析算法的标记，放入F-Queue队列，然后等待队列调用finalize方法，执行后依旧没有引用则被再次标记，然后回收。finalize只会被调用一次。

4.回收方法区：主要回收内容废用常量（例如String），无用的类。常量判断方式与堆中差不多。无用类的判断有三点：

• 类的实例都被回收，堆中无任何实例。
• 该类的ClassLoader被回收。
• 类的类类型无处引用，即Object.class。
  至于是否被回收还需要看启动参数等等因素。

5.垃圾收集算法：

• 标记-清除 Mark-Sweep:先标记，再统一回收，最基础的算法，两个问题，一个是效率第，一个是空间零碎。
• 复制算法Copying:将内存按容量划分大小相等的两块，每次使用其中一块，回收时将存活对象复制到另一半，然后全部回收，再将活着的对象复制回来。代价内存折半。实际在HotSpot中Eden和Survivor比例为8：1，可用内存在整个新生代中为90%，剩下的10%用来收集复制。对象存活率较高时不采用此方式。
• 标记-整理 Mark-Compact,与标记删除一样，标记整理是指标记后存活对象都向一端移动，然后清理掉边界以外的内存。
• 分代收集算法：大多数垃圾收集的算法，根据对象的存活周期不同将内存划分为几块，一般为新生代和老年代，新生代收集会有大批对象死去，用复制算法，老年代对象存活率高，用标记-清理或标记-整理。

6.垃圾收集器

• 复制算法：
  • Serial收集器 需要stop the world，单个线程
  • ParNew收集器 上一个的多线程版本
  • Parallel Scavenge收集器 目标是控制吞吐量（吞吐量=运行用户代码时间/（运行用户代码时间+垃圾回收时间）
• 标记整理算法：
  • Serial Old收集器 老年代版本Serial收集器，与Parallel Scavenge收集器搭配使用，或是CMS收集器的后备方案
  • Parallel Old收集器 老年代版本Parallel Scavenge收集器 Parallel Scavenge收集器的好搭档
• 标记清除算法
  • CMS收集器 并发标记并发清除
• 复制算法+标记整理算法
  • G1 Garbage-First最先进的收集器，不需要与其他收集器配合使用。可预测停顿，可整合空间。(-XX:+UseG1GC)

7.对象分配流程：

• 优先在Eden区中，空间不够进行gc然后再不够则将其他对象放至老年代。
• 大对象直接进入老年代。
• 长期存活对象进入老年代：给对象一个年龄，第一次Minor GC 仍然存活，则将其从Eden中移动到Survivor中，并且年龄加1，当年龄加到一定程度（默认15岁）晋升到老年代。

8.java虚拟机工具：

• jps：虚拟机进程状况

  
  jps命令

• jstat：虚拟机统计信息监控工具

  
  jstat命令
  

  （参数2147为pid）

  
  jstat命令主要参数

• jinfo：java配置信息工具

  
  jinfo命令

• jmap：java内存映像工具

  
  jmap命令

• jhat：虚拟机堆转存快照分析工具

  
  jhat命令
  jhat效果

• jstack：java对战追踪工具

  
  jstack命令

• jconsole：java监视与管理控制台

  
  jconsole可视化工具

Part4实际分析

1.高性能机器部署：
问题：16G内存，java堆大小分配12G，一次GC高达14s，因为大对象比较多，大部分大对像都进入到了老年代，所以GC回收不掉这些大对象，造成十几分钟就十几秒的GC停顿。
解决方案：分配小一点内存，一台机器上部署多个服务。

2.集群间同步导致内存溢出：
问题：高并发读写操作，导致集群间数据疯狂同步，同步失败后还需要同步重试，服务器间通讯，消耗大量内存资源。
解决方案：书里没说，个人觉得这种高并发读写就不应该这种方式实现集群，生产者消费者的模式来减缓同步压力。

3.堆外内存导致的溢出错误：
问题：平台限制内存2G，虚拟机分配内存1.6G，当加大内存的时候内存溢出现象更加严重，jstat时候GC不频繁，个区域稳定。
解决：问题定位，由此可推算，直接内存区大小为0.4G，Direct Memory虽然也能被Full GC回收，但是它不能通知GC回收。大量NIO操作，需要用DM。分配DM空间-XX:MaxDirectMemorySize

4.外部命令导致系统缓慢：
问题：系统调用大量脚本，命令行等，方式来获取系统一些信息。
解决：大量的这种操作需要消耗很多资源，系统需要产生新的进程，建议使用java api的方式获取这些信息。

5.服务器JVM进程崩溃
问题：运行期间服务器频频出现自动关闭的现象，生产hs_err_pid.log，一个服务调用另一个服务，两个服务处理速度差距较大，导致多个线程等待，最终服务崩溃。
解决：使用生产者消费者模式，消息实现队列。

6.不恰当的数据格式导致内存占用过大。

7.由windows虚拟内存导致的长时间停顿。

（Class文件描述的各种信息略掉了。）

Part5虚拟机类加载机制

1.类生命周期：加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)、卸载(Unloading)七个阶段

2.五种类初始化时机：

• new、getstatic、putstatic、invokestatic指令时类没有进行初则需要进行初始化。

• 使用反射调用的时候，类没进行初始化就要先初始化。

• 初始化一个类的时候，父类没调用就需要触发父类初始化。

• 虚拟机启动的时候，用户需要指定执行的主类，虚拟机会先初始化这个类。

• 当使用JDK1.7的动态语言的支持的时候，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后解析结果REF_getStatic,REF_putStatic,REF_invokeStatic的方法句柄，这个方法句柄对应的类没有进行初始化的时候。

3.加载阶段虚拟机动作：

• 通过类全名获取二进制字节流
• 将字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时的数据结构。
• 在内存中生成这个类的的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的访问入口。

4.验证：

• 文件格式验证（魔数、版本、类型、引用、编码、md5）

• 元数据验证（是否由父类，是否继承了不允许被继承的类（final）

• 字节码验证（数据类型与指令代码序列都能配合工作，跳转指令不会跳到方法外，保证类型转换有效）

• 符号引用验证（引用能否找到对应的类，能否找到合法的方法和字段，字段访问性是否可被当前类访问）

5.准备（初始化类变量，类变量赋初值）

6.解析

• 类或接口解析
• 字段解析
• 类方法解析
• 接口方法解析

7.初始化

• 静态初始化块能赋值之后的静态变量，但无法访问。

8.同一个类加载器加载的类才是相等的，否则instanceof也返回false

9.类加载器：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：C++实现，加载rt.jar等基本文件
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）负责加载<java_home>\lib\ext 目录中的依赖。
• 应用程序类加载器（Application ClassLoader)：系统类加载器，加载classpath上的类库

Part6 虚拟机字节码执行引擎

1.栈帧：虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈的栈元素。

2.栈帧需要分配多少内存不会受程序运行期变量数据的影响。

3.栈帧结构：

• 局部变量表：最小单位为槽（Variable Slot）每个槽能存储的类型有八种：（boolean、byte、char、short、int、float、reference、returnAddress）对于64位数据类型以高位对齐的方式分配两个连续的Slot。0位索引为this
• 操作数栈：LIFO，每个元素可以是任意的java类型，虚拟机都是基于栈的执行。
• 动态连接
• 方法返回地址
• 附加信息

4.方法重载Overload优先级

ab.png

先输出 char，注掉char后输出int注掉int输出long注掉long输出Character 注掉Character输出Serializable注掉Serializable输出object
顺序是先转型，再装箱，再接口，再父类，最后可变长

Part7 内存模型与线程

1.评价服务性能：每秒事务处理数TPS（Transactions Per Second）

2.内存间交互操作

• lock
• unlock
• read
• load
• use
• assign
• store
• write

3.八种原则：

• read和load，store和write必须成对出现R->L S->W
• 最后一次assign后必须写回内存A->S->W
• 未assign操作的数据不允许同步到主内存中A->S->W
• 一个变量在同一时刻只允许一个线程lock，并且可以被lock多次，但必须unlock相同次数
• 如果对变量lock 会清空内存中此变量的值，在执行load或assign操作初始化变量的值。
• 没lock不许unlock，不许unlock其他线程lock的变量
• unlock前必须store，write U->S->W

4. volatile

• 确保了数据存取的原子性（32位环境读取64位变量分两次，先读高32位后读低32位）
• 保证了数据的可见性
• 禁止了指令重排序
  误区：
  • 自增操作(i++) 不具备原子性，即本操作是三步
    • 从主存储中读取i的值到高速缓存
    • 在高速缓存中对i进行算数运算
    • 将结果从高速缓存写入主存储
  • 不具有原子性的操作volatile无法保证其准确性
  • 当a线程读取i并进行加法运算，此时b线程进行读取i操作，此时a并未将i写入主存储，所以b读到的还是旧的值。
• 想保证上一操作的原子性则需要在运算方法上加入synchronized关键字，或者使用Lock 对象锁的方式来保证同一时间仅有一个线程可以调用该方法。或是使用原子对象自增AtomicInteger.