JVM 原理与实战

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发布于: 2020 年 08 月 20 日
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JVM﻿
JVM内存模型﻿
五部分
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方法区
    加载类的定义数据、常量（运行时常量池）、静态变量、JIT编译后的代码
    两种实现
    
堆
    对象实例在heap中分配好以后，需要在stack中保存一个4字节的内存地址。
程序计数器
    当前线程执行的字节码的位置指示器。分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复都依靠它。
    
java栈
    java指令由 操作码(方法本身) 和 操作数(方法内部变量) 组成
        方法本身、内部变量保存在stack中，对象地址在heap
        虚拟机栈也叫栈内存，创建线程时创建，不存在垃圾回收。每个方法执行的同时创建栈帧用于存储局部变量表（）、操作栈（记录出入栈）、动态链接、方法出口等信息，方法的执行就是入栈和出站
本地方法栈
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概述
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JVM初始运行都会分配好方法区和堆
没遇到一个线程，就为其分派一个程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈，终止时释放。生命周期同线程
分清什么是实例，什么事对象：Class a = new A(); a 实例，A对象
类成员变量，不同对象各不相同；方法确实共享的
栈内存管理，较为简单，LIFO原则；堆空间内存管理较为复杂。
抛出异常方式不同
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内存分配﻿
1：前置条件： 关键字new
2：类加载检查
    检查该指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用
    检查这个符号引用代表的类是否已经被加载、解析、初始化过。
3：检查未通过则进行类加载
4：检查通过则为对象分配内存
    内存分配，根据堆内存是否规整，分为：空闲列表和指针碰撞
    需要解决线程安全问题
        同步处理分配内存空间的行为：CAS+ 失败重试
        把内存分配行为 按照线程 划分在不同的内存空间进行
5：将内存空间初始化为0值
    保证对象实例在使用时可不赋初值就可直接使用
6：对对象进行必要的设置
    设置这个对象是哪个类的实例；并存放在对象的对象头中
7：判断后置条件，手动对对象初始化
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**逃逸分析**
    就是分析java对象动态作用域。当一个对象被定义之后，可能被外部对象引用，成为方法逃逸，也有可能是线程逃逸；如果没有逃逸，则进行站上分配，无需垃圾回收
    
**对象内存布局**
  对象头：4个字节
    MarkWord：是对象自身的运行时数据：哈希码、GC分代年龄、锁状态标识、线程池有的锁、偏向锁ID、偏向时间戳等，32或64位；非固定的数据结构方便在极小的空间存储尽量多的信息。
    类型指针：该指针的长度为JVM的一个字大小。32位（4字节）或者64位（8字节）。开启指针压缩后 4 字节：UseCompressedOops
    
        锁标志位；锁的是对象；锁状态：无-偏向-轻量级-重量级。可升级不能降级
    
  实例数据  
  对齐填充  4个字节
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JVM整体结构
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![image](https://static001.geekbang.org/infoq/ad/adfe57adae5bd3ccd9e5ca046086f97c.png)
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类加载﻿
类加载概念﻿
类加载流程
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![image](https://static001.geekbang.org/infoq/af/af7c89d0f8e723200fd8d1d50e01160b.png)
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加载
    1：通过类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流
    2：这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。这里只转化了数据结构，并未合并数据
    3：在内存中生成一个代表这个类的Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。
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链接：负责将类的二进制合并入JRE
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    验证
        格式检查->语义检查->字节码验证->符号引用验证
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    准备
        为类分配相应的内存空间，并赋零值。
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    解析阶段
        将符号引用转化为直接引用
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初始化阶段
    开始执行java字节码；
    主要工作是为静态变量赋值：初值
    触发条件
        new创建或则 getstatic、putstatic或者设置一个静态字段的值、的调用一个静态方法的时候，必须经过初始化
        
        反射调用的时候
        初始化的时候发现父类没有初始化，首先父类初始化
        虚拟机启动时，需要制定一个main类，首先初始化这个类
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双亲委派模型﻿
**概述**
    非一次性加载，而是按需加载
    当用户加载器需要加载某个类时，会将请求转给父类加载器，委托帮忙加载
    首先最顶层的加载，加载不到转交给子类夹杂器。如果还是不行排除异常
**加载器**
    BootstrapClassLoader：JVM自身需要的类，c++实现
    ExtClassLoader：ext/lib/jre/jdk下的
    AppClassLoader：CLASSPATH下的
    
    CustomerClassLoader
    
**实现**
    ClassLoader.loadClass
        先从缓存找改class，找到直接返回
        未找到委托给父类夹杂器，没有父类自己加载
        都没有找到通过自定义findClass方法去查询并加载
        如果需要加载时进行解析，则进行解析
**双亲委派的好处**
    为了安全性，避免核心类被替换
    避免类的重复加载
**两个class是否为同一个对象**
    类的完整类名必须一致
    加载这个类的ClassLoader必须相同
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自定义类加载器﻿
应用场景
    加密
        java代码可以轻易反编译，需要加密防止反编译。需要先解密在加载
    从非标准的来源加载代码
        如果你的字节码是放在数据库、甚至是云端
**如何自定义**
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    如果不想打破：findClass
    如果想打破： 重写整个loadClass
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双亲委派的破坏-线程上下文类加载器﻿
**获取**
    我们可以通过Thread.getContextClassLoader()和setCOntextClassLoader();
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Tomcat类加载器器结构﻿
**作为一个web服务器要解决的问题**
    部署在同一个web容器里的应用要类库要相互隔离
    部署在同一个web容器上的两个web应用所使用的类库可以共享
    web容器需要尽可能地保证自身的安全不受部署的应用的影响
**结构**
    Bootstrap
    ExtensionClassLoader
    ApplicationClassLoader
    CommonClassLoader
CatalineClassLoader     SharedClassLoader
                        WebAppClassLoader
                        JasperClassLoader
**加载顺序**
    先从缓存中加载
    如果没有，从Bootstrap加载
    如果没有，从当前类加载器加载按照 web-inf/classes、WEB-INF/lib的顺序
    如果没有，从父类夹杂器，以AppClassLoader、COmmon、Shared的顺序加载
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垃圾回收﻿
finalize﻿
finalize() 一次复活的机会 只有一次 
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finalize在java9中已经被废弃
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原因：
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- **性能问题**
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      会死锁和线程挂起
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- **内存泄漏**
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      如果不需要也没办法取消垃圾回收，遇到这种情况，对象调用finalize方法就会无限期延后
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- **java9对应**
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      AotoCloseable
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引用级别﻿
强引用
软引用
弱引用
虚引用
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垃圾回收算法﻿
什么是垃圾回收﻿
GC：垃圾回收，即：Garbage Collection。
垃圾：特指存在于内存中的、不会再被使用的对象。
回收：清除内存中的“垃圾”对象。
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垃圾回收算法﻿
引用计数法：java不用
标记清除算法
复制算法
标记压缩算法(标记整理)
分代算法
分区算法
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串行回收器﻿
- GC单线程
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- 运行时停止停止业务线程运行
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- 单核时更加高效(减少线程切换)
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- client模式下默认的
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Serial
Serial Old
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并行回收器﻿
将串行回收器多线程化
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Parallel New
Parallel Scavenge ParallelGC
Parallel Old ParallelOldGC
CMS ：并发标记清除
G1回收器
混合收集
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JVM参数﻿
常用参数
Java [-options] [package+className] [arg1,arg2,…,argN] options： -Xms128m 设置初始化堆内存为128M -Xmx512m 设置最大堆内存为512M -Xmn160m 设置新生代大小为-Xmn160M（堆空间1/4~1/3） -Xss128m 设置最大栈内存为128M -XX:SurvivorRatio 设置新生代eden区与from/to空间的比例关系 -XX:PermSize=64M 设置初始永久区64M -XX:MaxPermSize=128M 设置最大永久区128M -XX:MaxMetaspaceSize 设置元数据区大小（JDK1.8 取代永久区） -XX:+DoEscapeAnalysis 启用逃逸分析（Server模式） -XX:+EliminateAllocations 开启标量替换（默认开启） -XX:+TraceClassLoading 跟踪类的加载 -XX:+TraceClassUnloading 跟踪类的卸载 -Xloggc:gc.log 将gc日志信息打印到gc.log文件中 -XX:+PrintGC 打印GC日志 -XX:+PrintGCDetails ** 打印GC详细日志 -XX:+PrintGCTimeStamps ** 输出GC发生的时间 -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime GC产生停顿的时间 -XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime 应用执行的时间 -XX:+PrintHeapAtGC 在GC发生前后，打印堆栈日志 -XX:+PrintReferenceGC 打印对象引用信息 -XX:+PrintVMOptions 打印虚拟机参数 -XX:+PrintCommandLineFlags 打印虚拟机显式和隐式参数 -XX:+PrintFlagsFinal 打印所有系统参数 -XX:+PrintTLAB ** 打印TLAB相关分配信息 -XX:+UseTLAB 打开TLAB -XX:TLABSize 设置TLAB大小 -XX:+ResizeTLAB 自动调整TLAB大小 -XX:+DisableExplicitGC 禁用显示GC （System.gc()） -XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent 使用并发方式处理显式GC
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JVM监控优化﻿
Visual VM
命令
linux
top能够实时显示系统中各个进程的资源占用情况。 
分为两部分：系统统计信息&进程信息。 
系统统计信息： 
Line1:任务队列信息，从左到右依次表示：系统当前时间、系统运行时间、当前登录用户数。 
Load average表示系统的平均负载，即任务队列的平均长度——1分钟、5分钟、15分钟到现在的平均值。 
Line2:进程统计信息，分别是：正在运行进程数、睡眠进程数、停止的进程数、僵尸进程数。 
Line3:CPU统计信息。us表示用户空间CPU占用率、sy表示内核空间CPU占用率、ni表示用户进程空间改变过优先级的进程CPU占用率。id表示空闲CPU占用率、wa表示待输入输出的CPU时间百分比、hi表示硬件中断请求、si表示软件中断请求。 
Line4:内存统计信息。从左到右依次表示：物理内存总量、已使用的物理内存、空闲物理内存、内核缓冲使用量。 
Line5:从左到右表示：交换区总量、已使用交换区大小、空闲交换区大小、缓冲交换区大小。 进程信息： PID：进程id USER：进程所有者 PR：优先级 NI：nice值，负值高优先级，正值低优先级 VIRT：进程使用虚拟内存总量 VIRT=SWAP+RES RES：进程使用并未被换出的内存。CODE+DATA SHR：共享内存大小 S：进程状态。 D=不可中断的睡眠状态 R=运行 S=睡眠 T=跟踪/停止 Z=僵尸进程 %CPU：上次更新到现在的CPU时间占用百分比 %MEM：进程使用的物理内存百分比 TIME+：进程使用的CPU时间总计，单位 1/100秒 COMMAND：命令行vmstat性能监测工具，显示单位均为kb。它可以统计CPU、内存使用情况、swap使用情况等信息，也可以指定采样周期和采用次数。例如：每秒采样一次，共计3次。 procs列：r表示等待运行的进程数。b表示处于非中断睡眠状态的进程数。 memory列：swpd表示虚拟内存使用情况。free表示空闲内存量。buff表示被用来作为缓存的内存。 swap列：si表示从磁盘交换到内存的交换页数量。so表示从内存交换到磁盘的交换页数量。 io列：bi表示发送到块设备的块数，单位：块/秒。bo表示从块设备接收到的块数。 system列：in表示每秒的中断数，包括时钟中断。cs表示每秒的上下文切换次数。 cpu列：us表示用户cpu使用时间。sy表示内核cpu系统使用时间。id表示空闲时间。 wa表示等待io时间。iostat可以提供详尽的I/O信息。 如果只看磁盘信息，可以使用-d参数。即：Iostat –d 1 3 （每1秒采集一次持续3次） tps列表示该设备每秒的传输次数。 Blk_read/s列表示每秒读取块数。 Blk_wrtn/s列表示每秒写入块数。 Blk_read列表示读取块数总量。 Blk_wrtn列表示写入块数总量。
JDK
jps 用于列出Java的进程。 执行语法： jps [-options]jps 列出java进程id和类名 91275 FireIOTest jps –q 仅列出java进程id 91275 jps –m 输出java进程的入参 91730 FireIOTest a b jps –l 输出主函数的完整路径 91730 day1.FireIOTest jps –v 显示传递给JVM的参数 91730 FireIOTest -Xmx512m -XX:+PrintGC -javaagent:/Applications/IntelliJ IDEA.app/Contents/lib/idea_rt.jar=51673:/Applications/IntelliJ IDEA.app/Contents/bin -Dfile.encoding=UTF-8jstat用于查看堆中的运行信息。 执行语法：jstat –help jstat -options jstat <-option> [-t] [-h<lines>] <vmid> [<interval> [<count>]] jstat -class -t 73608 1000 5 查看进程73608的ClassLoader相关信息，每1000毫秒打印1次，一共打印5次，并输出程序启动到此刻的Timestamp数。 jstat -compiler -t 73608 查看指定进程的编译信息。 jstat -gc 73608 查看指定进程的堆信息。 Jstat -gccapacity 73608 查看指定进程中每个代的容量与使用情况 jstat -gccause 73608 显示最近一次gc信息 jstat -gcmetacapacity 73608 查看指定进程的元空间使用信息 jstat -gcnew 73608 查看指定进程的新生代使用信息 jstat -gcnewcapacity 73608 查看指定进程的新生代各区大小信息 jstat -gcold 73608 查看指定进程的老年代使用信息 jstat -gcoldcapacity 73608 查看指定进程的老年代各区大小信息 jstat -gcutil 73608 查看指定进程的GC回收信息 jstat -printcompilation 73608 查看指定进程的JIT编译方法统计信息jinfo用于查看运行中java进程的虚拟机参数。 执行语法： jinfo [option] <pid> jinfo -flag MaxTenuringThreshold 73608 查看进程73608的虚拟机参数MaxTenuringThreshold的值 jinfo -flag +PrintGCDetails 73608 动态添加进程73608的虚拟机参数+PrintGCDetails，开启GC日志打印。 jinfo -flag -PrintGCDetails 73608 动态添加进程73608的虚拟机参数+PrintGCDetails，关闭GC日志打印。jmap命令用于生成指定java进程的dump文件；可以查看堆内对象实例的统计信息，查看ClassLoader信息和finalizer队列信息。 执行语法： jmap [option] <pid> jmap -histo 73608 > /Users/muse/a.txt 输出进程73608的实例个数与合计到文件a.txt中 jmap -dump:format=b,file=/Users/muse/b.hprof 73608 输出进程73608的堆快照，可使用jhat、visual VM等进行分析jhat命令用于分析jmap生成的堆快照。 执行语法： jhat [-stack <bool>] [-refs <bool>] [-port <port>] [-baseline <file>] [-debug <int>] [-version] [-h|-help] <file>jstack命令用于导出指定java进程的堆栈信息
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CPU 占用过高问题排查
查看系统状况
通过top 找到过载的pid
定位现成问题
使用ps -mp pid -o THREAD,tid,time 查看该进程的线程情况。
查看问题线程堆
将线程id换位16进制
就stack查看堆栈信息
jstack pid |grep tid //十六进制
jstat查看进程内存状况
jstat -gcutil 6764 2000 10 查看垃圾回收统计
jstack和jmap分析进程堆栈和内存状况
使用jmap命令导出heapdump文件，然后拿到本地使用mat、jprofile等工具
jmap -dump:format=b，file=dump.bin 1
jstack vmid
jstack -l 2 >> jstack.out
从dump文件定位程序中的共从现场
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发布于: 2020 年 08 月 20 日阅读数: 38
东哥

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