漫谈jvm
## 背景介绍
jvm已经是Java开发的必备技能了，jvm相当于Java的操作系统。
JVM,java virtual machine, 即Java虚拟机，是运行java class文件的程序。
Java代码经过Java编译器编译，会编译成class文件，一种平台无关的代码格式，class文件按照jvm规范，包括了java代码运行的数据和代码等内容。jvm加载class文件后，就可以执行java代码了。
JVM有不同的实现，有我们熟悉的Hotspot虚拟机，JRockit等。在各个操作系统上，又回有各自的虚拟机实现，从而形成了Java代码 > class文件 > JVM规范 > JVM实现的层次。再加上其他语言如scala、groovy也能够生成class文件，这样不仅实现了平台无关性，也实现了语言无关性。
JVM体系，分为JVM内存结构，Class文件结构，Java ByteCode，垃圾收集算法和实现，调优和监控工具，以及Java内存模型(JMM)。
## JVM内存结构
通常，认为大概分为线程共享的区域和线程私有的区域。共享区域在JVM启动时创建，
私有区域伴随这线程的启动和结束。
### 私有区域
一个线程拥有的结构有
#### 程序计数器(Program Counter, PC)
Java天生支持多线程，多线程会有线程切换的问题，当一个线程从可运行状态得到CPU调度进入运行状态，CPU需要知道从哪里开始执行，并且Java是一种基于栈的执行架构(区别于基于寄存器的架构)。当执行一个Java方法时，PC会指向下一条指令的位置。执行native方法时，PC是未定义。操作指令可能会有0个或多个操作数。JVM的执行流程大概可以描述为:
```
while(true) {
opcode = code[pc];
oprand = getOperan(opcode);
pc = code[pc + len(oprand)];
execute(opcode, oprand);
}
```
#### Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)
Java虚拟机栈，或者叫方法栈，会伴随这方法的调用和返回进行相应的入栈和出栈。栈的元素是栈帧(Stack Frame), 栈帧中的内容包括: 操作数栈，本地变量表，动态链接等信息。当线程调用一个方法的时候，会组装对应的栈帧入栈。
##### 本地变量表(Local Variable Table)
本地变量表存储方法的参数、方法内部创建的局部变量。本地变量表的大小在编译时就确定了。本地变量表会根据变量的作用范围选择重用一个位置。本地变量表会存放
int,char,byte,float,double,long,address(实例引用)。其中除了double和long其他变量占用一个slot,一个slot指一个抽象的位置，在32位虚拟机中是32bit大小，
double和long占用两个slot。
值得注意的时，如果一个方法是实例方法，Java编译器会将this作为第一个参数传入本地变量表。另外Java中面向对象，方法调用可以这样理解
```
实例方法
obj.method(var1, var2, var3) => method invoke obj var1 var2 var3
```
##### 操作数栈
操作数栈用于方法内执行保存中间结果，Java方法中的代码逻辑就是通过操作数栈来实现的。和本地方法表一样，操作数栈也是在编译时就确定最大大小了，即最大深度。操作数栈可以和本地变量表交互，进行数据的存放和读取。下面用一个简单的例子展示一下。
```
int add(int a, int b) {
return a + b;
}
```
这个实例方法经过Java编译器编译后生成的字节码
```
本地变量表
slot0 this
slot1 a
slot2 b
方法字节码
iload_1 #读位置是1的本地变量(本地变量表从0开始，位置0是this引用)
此时操作数栈是 a
iload_2 #读位置是2的本地变量，即b
此时操作数栈是 a b
iadd #进行int类型的add操作，会取出栈头的两个元素取出进行相加并将结果入栈。
此时操作数栈是 c (相加的结果)
ireturn #ireturn指令会将栈头元素返回给调用方法的栈帧
```
### 线程共享区域
#### 堆(Heap区)
创建的对象（包括普通实例和数组)都分配在Heap区（不考虑一些虚拟机的栈上分配优化技术)。在细分的话，一般还分成年轻代和老年代。这是基于这样一个类似28原理的统计，90%多的对象都是很快成为垃圾的对象。所以化为成两个区域，分别使用不同的收集算法，年轻代的收集频率更高，所需空间也相对较小。内存分配时，多个线程会有并发问题，主要通过两种方式解决:1.CAS加上失败重试分配内存地址。2. TLAB, 即Thread Local Allocation Buffer, 为每个线程分配一块缓冲区域进行对象分配。年轻代还可以分为两个大小相等的Survivor和一个Eden区域。对象在几种情况下会进入老年代:1. 大对象，超过Eden大小或者PretenureSizeThreshold. 2. 在年轻代的年龄(经历的GC次数）超过设定的值的时候 3. To Survivor存放不下的对象
#### 方法区
方法区存放加载的类信息和运行时常量池等。
## 垃圾收集(Garbage Collect)
Java中不需要对内存进行手动释放，JVM中的垃圾回收器帮助我们回收内存。
### 何时进行收集
一般来说，当某个区域内存不够的时候就会进行垃圾收集。如当Eden区域分配不下对象时，就会进行年轻代的收集。还有其他的情况，如使用CMS收集器时配置CMSInitalize
### 如何判断一块内存是垃圾
即判断一个对象不再使用，不再使用可以是没有有效的引用。
一般来说，主要有两种判断方式
#### 引用计数
当有对象引用自身时，就会计数器加1，删除一个引用就减一，当计数为0时即可判断为垃圾。python等语言使用引用计数。引用计数存在循环引用问题，如两个落单的A和B互相引用，但是没有其他对象指向它们这种情况。
#### 可达性分析
通过一些根节点开始，分析引用链，没有被引用的对象都可以被标记为垃圾对象。根节点是方法栈中的引用、常量等。
### 垃圾收集算法
#### 标记清除(Mark Sweep)
对非垃圾对象进行标记都，清除其他的对象。这种方式对对内存空间造成空隙，即内存碎片，最终导致有空余空间，但没有连续的足够大小的空间分配内存。
#### 标记整理(Mark Compact)
标记非垃圾对象后，将这些对象整理好，排列到内存的开始位置。这样内存就是整齐的了。但是因为会造成对象移动，所以效率会有降低。
#### 标记清除整理(Mark Sweep Compact)
即组合两种方式，在若干次清除后进行一次整理。
#### 复制(Copy)
划分成两个相同大小的区域，收集时，将第一个区域的活对象复制到另一个区域，这样不会有内存碎片问题。但是最多只能存放一半内存。
### 垃圾收集器
垃圾收集器就是垃圾收集算法的相应实现。
#### Serial New
新生代单线程的收集器，是Client模式默认的垃圾收集器
#### Parallel New
Serial New的多线程版本。ParNew常和CMS拉配使用。这里说明一些Parallel和Concurrent即并行和并发在垃圾收集这里的表示的不同，并行表示有多个线程同时进行垃圾收集，并发是指垃圾收集线程和应用线程可以并发执行。
#### Parallel Scanvenge
PS收集器是注重吞吐量（ThroughPut）的收集器。
#### Serial Old。
老年代的单线程收集器
#### Parallel Old
Serial Old的多线程版本，由于Parallel Scavenge不能和CMS搭配使用，所以会是使用PS时的一种选择。
#### CMS （Concurrent Mark Sweep)
注重延迟latency的收集器，在交互式应用中，如面向用户的web应用，需要尽可能减少垃圾收集造成的停顿时间。在总的统计上，吞吐量可能没有PS收集器高。
细分上，CMS还分为4个阶段
* 初始标记，标记GC Root可以直达的对象。STW
* 并发标记，从第一步标记的对象开始，进行可达性分析遍历，和应用线程并发执行。
* 重新标记，SWT，修正上一阶段并发执行造成的引用变化。
* 并发清除，并发的清除垃圾
CMS使用标记清除算法，所以有内存碎片问题，可能设置参数在进行若干次不带整理的收集后进行一次带整理（compact)的收集。另外，因为垃圾收集是和应用线程并发执行的，在收集的同时可能还会有垃圾不断产生，即产生了浮动垃圾。另外还需要预留出一定空间，到达这个值后进行收集，但是还会有收集速度赶不上生产的速度，这时就会出现Concurrent Mode Failure,CMS会退化成Serial Old进行GC。
#### G1 （Garbage First）
具有大内存收集和目标效率时间等控制能力，目标是代替CMS。G1通过将内存划分成不同的区域(Region),并对不同区域计算分数，分析那个Region最具有收集价值。
### 一些JVM的GC参数
常用的参数设置有
* -Xms=4g -Xmx=4g 设置Java堆的初始大小和最大大小均
