面试还不懂 JVM 性能调优，看这篇文章就够了！

最近不少小伙伴希望我能写一些关于面试的知识，出一些相对来说有一点技术深度的面试知识点。

经过几天的思考，我决定先更新一些面试中经常会被问及的一些知识点，以便能够帮助小伙伴们系统的梳理面试中需要掌握的知识技能。

主要的方式是以面试的角度，深度聊聊面试中经常被问及的各项知识点。

对于工作 3 年左右的 Java 程序员来说，在面试大厂的过程中，面试官可能不会太关注你做了多少个项目、你的 CRUD 水平如何。更多的是关注你对某项技术点的理解深度，所以说，工作 3 年左右的小伙伴一定要把自己的重心放到技术的深度上来。

今天，我们先一起聊聊关于 JVM 性能调优的话题，本文的主要结构如下所示。

常见面试题

关于 JVM，一道常见的面试题就是：Java 中创建的对象是存储在 JVM 中的哪个区域的？

例如，这里，我们简单的列举一行代码，如下所示。

User user = new User();

关于上面的代码，不少小伙伴都知道，创建出来的 User 对象是放在 JVM 中的堆区域的，而 User 对象的引用是放在栈中的。但如果你只是了解到这种程度，那面试官就会认为你了解的太浅显了，可能就会达不到他们的要求。其实面试官想要了解你是否对 JVM 有一个更深入的认识。

站在面试官的角度来看这个问题时，回答创建出来的 User 对象是放在 JVM 的堆区，也并没有错。但是 JVM 的堆内存区域又会分为年轻代和老年代，而年轻代又会分为 Eden 区和 Survivor 区。JVM 堆空间的逻辑结构如下图所示。

而面试官更想了解的是你能不能说出来创建的对象具体是存放在 JVM 堆空间的哪个区域。

在 JVM 内部，会将整个堆空间划分成年轻代和老年代，年轻代默认会占整个堆内存空间的 1/3，老年代默认会占整个堆内存空间的 2/3。年轻代又会划分为 Eden 区和两个 Survivor 区，它们之间的默认比例是 Eden：Survivor1：Survivor2 = 8:1:1。

如果你能回答出 新创建的 User 对象是存放在 JVM 堆空间中年轻代的 Eden 区，那面试官就会对你刮目相看了。当然，这里没有考虑 JVM 的逃逸分析情况，关于 JVM 的逃逸分析，大家可以参考《逃逸分析》一文。

推荐观看：JVM性能优化实战

JVM 体系结构

JVM 主要由三个子系统构成，分别为：类加载器子系统、运行时数据区（内存结构）和字节码执行引擎。

关于 JVM 的体系结构全貌，我们先来看一张图。

当我们开发 Java 程序时，首先会编写.java 文件，之后，会将.java 文件编译成.class 文件。

JVM 中，会通过类装载子系统将.class 文件的内容装载到 JVM 的运行时数据区，而 JVM 的运行时数据区又会分为：方法区、堆、栈、本地方法栈和程序计数器 几个部分。

在装载 class 文件的内容时，会将 class 文件的内容拆分为几个部分，分别装载到 JVM 运行时数据区的几个部分。其中，值得注意的是：程序计数器的作用是：记录程序执行的下一条指令的地址。

方法区也叫作元空间，主要包含了：运行时常量池、类型信息、字段信息、方法信息、类加载器的引用、对应的 Class 实例的引用等信息。

在 JVM 中，程序的执行是通过执行引擎进行的，执行引擎会调用本地方法的接口来执行本地方法库，进而完成整个程序逻辑的执行。

我们常说的垃圾收集器是包含在执行引擎中的，在程序的运行过程中，执行引擎会开启垃圾收集器，并在后台运行，垃圾收集器会不断监控程序运行过程中产生的内存垃圾信息，并根据相应的策略对垃圾信息进行清理。

这里，大家需要注意的是：栈、本地方法栈和程序计数器是每个线程运行时独占的，而方法区和堆是所有线程共享的。所以，栈、本地方法栈和程序计数器不会涉及线程安全问题，而方法区和堆会涉及线程安全问题。

方法区（元空间）

很多小伙伴一看到方法区三个字，脑海中的第一印象可能是存储方法的地方吧。

实则不然，方法区的另一个名字叫作元空间，相信不少小伙伴或多或少的听说过元空间。这个区域是 JDK1.8 中划分出来的。主要包含：运行时常量池、类型信息、字段信息、方法信息、类加载器的引用、对应的 Class 实例的引用等信息。方法区中的信息能够被多个线程共享。

例如，在程序中声明的常量、静态变量和有关于类的信息等的引用，都会存放在方法区，而这些引用所指向的具体对象 一般都会在堆中开辟单独的空间进行存储，也可能会在直接内存中进行存储。

堆

堆中主要存储的是实际创建的对象，也就是会存储通过 new 关键字创建的对象，堆中的对象能够被多个线程共享。堆中的数据不需要事先明确生存期，可以动态的分配内存，不再使用的数据和对象由 JVM 中的 GC 机制自动回收。对 JVM 的性能调优一般就是对堆内存的调优。

Java 中基本类型的包装类：Byte、Short、Integer、Long、Float、Double、Boolean、Character 类型的数据是存储在堆中的。

堆一般会被分成年轻代和老年代。而年轻代又会被进一步分为 1 个 Eden 区和 2 个 Survivor 区。在内存分配上，如果保持默认配置的话，年轻代和老年代的内存大小比例为 1 : 2，年轻代中的 1 个 Eden 区和 2 个 Survivor 区的内存大小比例为：8 : 1 : 1。

栈

栈一般又叫作线程栈或虚拟机栈，一般存储的是局部变量。在 Java 中，每个线程都会有一个单独的栈区，每个栈中的元素都是私有的，不会被其他的栈所访问。栈中的数据大小和生存期都是确定的，存取速度比较快。

在 Java 中，所有的基本数据类型（byte、short、int、long、float、double、boolean、char）和引用变量（对象引用）都是在栈中的。一般情况下，线程退出或者方法退出时，栈中的数据会被自动清除。

程序在执行过程中，会在栈中为不同的方法创建不同的栈帧，在栈帧中又包含了：局部变量表、操作数栈、动态链接和方法出口。

关于局部变量表、操作数栈、动态链接和方法出口的具体作用，会在《架构师进阶系列》中的后续文章中详细阐述。

栈中一般会存储对象的引用，这些引用所指向的具体对象一般都会在堆中开辟单独的地址空间进行存储，也有可能存储在直接内存中。

注意：这里说的是这些引用所指向的具体对象一般都会在堆中开辟单独的地址空间进行存储，也有可能存储在直接内存中。

因为在 JVM 中，如果开启了逃逸分析和标量替换，则可能不会再在堆上创建对象，可能会将对象直接分配到栈上，也可能不再创建对象，而是进一步分解对象中的成员变量，将其直接在栈上分配空间并赋值。

本地方法栈

本地方法栈相对来说比较简单，就是保存 native 方法进入区域的地址。

例如，在 Java 中创建线程，调用 Thread 对象的 start()方法时，会通过本地方法 start0()调用操作系统创建线程的方法。此时，本地方法栈就会保存 start0()方法进入区域的内存地址。

程序计数器

程序计数器也叫作 PC 计数器，只要存储的是下一条将要执行的命令的地址。

双亲委派机制

何为双亲委派？

JVM 中是通过类的双亲委派机制来加载的，那什么是双亲委派机制呢？我们先来看一张图。

当 JVM 加载某个类的时候，不会直接使用当前类的加载器加载该类，会先委托父加载器寻找要加载的目标类，找不到再委托上层的父加载器进行加载，直到引导类加载器同样找不到要加载的目标类，就会在自己的类加载路径中查找并加载目标类。

简单来说：双亲委派机制就是：先使用父加载器加载，如果父加载器找不到要加载的目标类，就使用子加载器自己加载。

为何使用双亲委派机制？

这里，小伙伴们有没有想过这样一个问题：JVM 为何要使用双亲委派机制呢？

为了更好的说明问题，我们自己创建一个java.lang包，并在java.lang包下，创建一个 String 类，如下所示。

package java.lang;
/** * @author binghe (公众号：冰河技术) * @version 1.0.0 * @description 测试时双亲委派机制 */public class String {    public static void main(String[] args){        System.out.println("自定义的String类");    }}

这里，我们自己创建一个java.lang.String类，而 JDK 中也存在一个java.lang.String类，如果运行我们自己创建的java.lang.String会发生什么呢？会输出如下错误信息。

错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为:   public static void main(String[] args)否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application

那 JVM 为何要使用双亲委派机制呢？试想，如果我们自己写的类能够随随便便覆盖 JDK 中的类的话，那 JDK 中的代码是不是就没有任何安全性可言了？没错，JVM 为了代码的安全性，也即是沙箱安全机制，使用了双亲委派机制。

另外，使用双亲委派机制，也能防止 JVM 内存中出现多份相同的字节码。例如，两个类 A 和 B，都需要加载 System 类。如果 JVM 没有提供双亲委派机制，那么 A 和 B 两个类就会分别加载一份 System 的字节码，这样 JVM 内存中就会出现这份 System 字节码。

相反，JVM 提供了双亲委派机制的话，在加载 System 类的过程中，会递归的向父加载器查找并加载，整个过程会优先选用 BootStrapClassLoader 加载器，也就是我们通常说的引导类加载器。如果找不到就逐级向下使用子加载器进行加载。

而 System 类可以在 BootStrapClassLoader 中进行加载，如果 System 类已经通过 A 类的引用加载过，此时 B 类也要加载 System 类，也会从 BootStrapClassLoader 开始加载 System 类，此时，BootStrapClassLoader 发现已经加载过 System 类了，就会直接返回内存中的 System，不再重新加载。

这样，在 JVM 内存中，就只会存在一份 System 类的字节码。

类加载器的父子关系

如何确认类加载器的父子关系呢？这里，我们再来看一个示例代码，如下所示。

/** * @author binghe (公众号：冰河技术) * @version 1.0.0 * @description 类的双亲委派机制 */public class User {    public static void main(String[] args){        User user = new User();        System.out.println(user.getClass().getClassLoader());        System.out.println(user.getClass().getClassLoader().getParent());        System.out.println(user.getClass().getClassLoader().getParent().getParent());    }}

这段代码也比较简单，创建了一个 User 对象，打印 User 对象的类加载器，父类加载和上层父加载器。在 IDEA 中运行上述代码，会输出如下信息。

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@135fbaa4null

可以看到，User 对象的类加载器是 AppClassLoader，父加载器是 ExtClassLoader。而输出的 null 其实是 BootStrapClassLoader，而 BootStrapClassLoader 也就是上层父加载器。

这样，类加载器的父子关系就出来了：AppClassLoader 的父加载器是 ExtClassLoader，ExtClassLoader 的父加载器是 BootStrapClassLoader。

这里，需要注意的是：父加载器并不是父类。

类加载器加载的类

• 引导类加载器（BootStrapClassLoader）：负责加载 %JAVA_HOME%/jre/lib 目录下的所有 jar 包，或者是-Xbootclasspath 参数指定的路径；

• 扩展类加载器（ExtClassLoader）：负责加载 %JAVA_HOME%/jre/lib/ext 目录下的所有 jar 包，或者是 java.ext.dirs 参数指定的路径；

• 应用类加载器（AppClassLoader）：负责加载用户类路径上所指定的类库。

注意：引导类加载器和扩展类加载器加载的类都是预先加载好的，而应用类加载器用来加载应用工程的 classes 以及 lib 下的类库，仅仅声明，并不会提前载入 JVM 内存，等到使用的时候才会加载到 JVM 内存中。

类的加载过程

一个类在 JVM 中的加载过程大致经历了加载、验证、准备、解析和初始化。

• 加载：主要是在计算机磁盘上通过 IO 流读取字节码文件（.class 文件），当程序需要使用某个类时，才会对这个类进行加载操作，比如，在程序中调用某个类的静态方法，使用 new 关键字创建某个类的对象等。在加载阶段，往往会在 JVM 的堆内存中生成一个代表这个类的 Class 对象，这个对象作为存放在 JVM 方法区中这个类的各种数据的访问入口，也可以叫做访问句柄。

• 验证 ：主要的作用就是校验字节码的正确性，是否符合 JVM 规范。

• 准备： 为类的静态变量分配相应的内存，并赋予默认值。

• 解析：将程序中的符号引用替换为直接引用，这里的符号引用包括：静态方法等。此阶段就是将一些静态方法等符号引用替换成指向数据所在内存地址的指针，这些指针就是直接引用。如果是在类加载过程中完成的符号引用到直接引用的替换，这个替换的过程就叫作静态链接过程。如果是在运行期间完成的符号引用到直接引用的替换，这个替换的过程就叫作动态链接过程。

• 初始化：对类的静态变量进行初始化，为其赋予程序中指定的值，并执行静态代码块中的代码。

注意：在准备阶段和初始化阶段都会为类的静态变量赋值，不同之处就是在准备阶段为类的静态变量赋予的是默认值，而在初始化阶段为类的静态变量赋予的是真正要赋予的值。

例如，在程序中有如下静态变量。

public static int count = 100;

在准备阶段会为 count 赋予一个默认值 0，而在初始化阶段才会真正将 count 赋值为 100。

JVM 调优参数

在 JVM 中，主要是对堆（新生代）、方法区和栈进行性能调优。各个区域的调优参数如下所示。

• 堆：-Xms、-Xmx

• 新生代：-Xmn

• 方法区（元空间）：-XX:MetaspaceSize、-XX:MaxMetaspaceSize

• 栈（线程）：-Xss

为了更加直观的表述，我们可以将 JVM 的内存区域和对应的调优参数总结成下图所示。

在设置 JVM 启动参数时，需要特别注意方法区（元空间）的参数设置。

关于方法区（元空间）的 JVM 参数主要有两个：-XX:MetaspaceSize 和-XX:MaxMetaspaceSize。

-XX:MetaspaceSize：指的是方法区（元空间）触发 Full GC 的初始内存大小（方法区没有固定的初始内存大小），以字节为单位，默认为 21M。达到设置的值时，会触发 Full GC，同时垃圾收集器会对这个值进行修改。

如果在发生 Full GC 时，回收了大量内存空间，则垃圾收集器会适当降低此值的大小；如果在发生 Full GC 时，释放的空间比较少，则在不超过设置的-XX:MetaspaceSize 值或者在没设置-XX:MetaspaceSize 的值时不超过 21M，适当提高此值。

-XX:MaxMetaspaceSize：指的是方法区（元空间）的最大值，默认值为-1，不受堆内存大小限制，此时，只会受限于本地内存大小。

最后需要注意的是：调整方法区（元空间）的大小会发生 Full GC，这种操作的代价是非常昂贵的。如果发现应用在启动的时候发生了 Full GC，则很有可能是方法区（元空间）的大小被动态调整了。

所以，为了尽量不让 JVM 动态调整方法区（元空间）的大小造成频繁的 Full GC，一般将-XX:MetaspaceSize 和-XX:MaxMetaspaceSize 设置成一样的值。例如，物理内存 8G，可以将这两个值设置为 256M

最后，我们一起看下在物理内存 8G 的情况下，启动应用程序时，可以设置的 JVM 参数。当然，我这里给出的是一些经验值，实际部署到生产环境时，需要经过压测找到最佳的参数值。

• 启动 SpringBoot

java ‐Xms2048M ‐Xmx2048M ‐Xmn1024M ‐Xss512K ‐XX:MetaspaceSize=256M ‐XX:MaxMetaspaceSize=256M ‐jar xxx.jar

• 启动 Tomcat（Linux）

在 Tomcat bin 目录下 catalina.sh 文件里配置。

‐Xms2048M ‐Xmx2048M ‐Xmn1024M ‐Xss512K ‐XX:MetaspaceSize=256M ‐XX:MaxMetaspaceSize=256M

• 启动 Tomcat（Windows）

在 Tomcat bin 目录下 catalina.bat 文件里配置。

‐Xms2048M ‐Xmx2048M ‐Xmn1024M ‐Xss512K ‐XX:MetaspaceSize=256M ‐XX:MaxMetaspaceSize=256M

总结

本文以面试为背景，探讨了有关 JVM 的常见面试问题。文章开头以一个常见的面试题举例，说明了 JVM 在互联网大厂面试中的重要性。接下里，介绍了 JVM 的体系结构，包含：方法区（元空间）、堆、栈、本地方法栈和程序计数器。

随后，介绍了 JVM 中的双亲委派机制，说明了何为双亲委派，为何使用双亲委派机制，类加载器的父子关系。需要注意的是：这里说的类加载器的父子关系并不是父类和子类的关系。随后，介绍了各个类加载器要加载哪些类。

接下来，介绍了类的加载过程，主要包含：加载、验证、准备、解析和初始化等步骤，同时，说明了各个步骤的主要作用。

最后，介绍了 JVM 中常用的调优参数，涵盖堆、新生代、方法区（元空间）和栈（线程）常用的调优参数。并以 Tomcat 调优为例，详细说明了如何使用这些调优参数。

说了这么多你都掌握了吗？

原文：https://mp.weixin.qq.com/s/w4kkd6lKtlS0Bv-S6Uptkw

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