JVM学习记录

Java运行时数据区：

1、程序计数器：指向当前线程正在执行的字节码指令。线程私有的。
2、虚拟机栈：虚拟机栈是Java执行方法的内存模型。每个方法被执行的时候，都会创建一个栈帧，把栈帧压人栈，当方法正常返回或者抛出未捕获的异常时，栈帧就会出栈。

（1）栈帧：栈帧存储方法的相关信息，包含局部变量数表、返回值、操作数栈、动态链接。
　a、局部变量表：包含了方法执行过程中的所有变量。局部变量数组所需要的空间在编译期间完成分配，在方法运行期间不会改变局部变量数组的大小。

b、返回值：如果有返回值的话，压入调用者栈帧中的操作数栈中，并且把PC的值指向 方法调用指令 后面的一条指令地址。

c、操作数栈：操作变量的内存模型。操作数栈的最大深度在编译的时候已经确定（写入方法区code属性的max_stacks项中）。操作数栈的的元素可以是任意Java类型，包括long和double，32位数据占用栈空间为1，64位数据占用2。方法刚开始执行的时候，栈是空的，当方法执行过程中，各种字节码指令往栈中存取数据。

d、动态链接：每个栈帧都持有在运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态链接。
　　（2）线程私有
　　3、本地方法栈：
　　（1）调用本地native的内存模型
　　（2）线程独享。
　　4、方法区：
　　用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据
　　（1）线程共享的
　 （2）运行时常量池：
A、是方法区的一部分
B、存放编译期生成的各种字面量和符号引用
C、Class文件中除了存有类的版本、字段、方法、接口等描述信息，还有一项是常量池，存有这个类的 编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后，存放到方法区的运行时常量池中。
5、堆（Heap）：Java对象存储的地方
（1）Java堆是虚拟机管理的内存中最大的一块
（2）Java堆是所有线程共享的区域
（3）在虚拟机启动时创建
（4）此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有对象实例都在这里分配内存。存放new生成的对象和数组
（5）Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此很多时候称为“GC堆”

JMM Java内存模型：
1、 Java的并发采用“共享内存”模型，线程之间通过读写内存的公共状态进行通讯。多个线程之间是不能通过直接传递数据交互的，它们之间交互只能通过共享变量实现。
2、 主要目的是定义程序中各个变量的访问规则。
3、 Java内存模型规定所有变量都存储在主内存中，每个线程还有自己的工作内存。
（1） 线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的拷贝（从主内存中拷贝过来），线程对变量的所有操作都必须在工作内存中执行，而不能直接访问主内存中的变量。
（2） 不同线程之间无法直接访问对方工作内存的变量，线程间变量值的传递都要通过主内存来完成。
（3） 主内存主要对应Java堆中实例数据部分。工作内存对应于虚拟机栈中部分区域。

4、Java线程之间的通信由内存模型JMM（Java Memory Model）控制。（1）JMM决定一个线程对变量的写入何时对另一个线程可见。
（2）线程之间共享变量存储在主内存中
（3）每个线程有一个私有的本地内存，里面存储了读/写共享变量的副本。（4）JMM通过控制每个线程的本地内存之间的交互，来为程序员提供内存可见性保证。
5、可见性、有序性：
（1）当一个共享变量在多个本地内存中有副本时，如果一个本地内存修改了该变量的副本，其他变量应该能够看到修改后的值，此为可见性。
（2）保证线程的有序执行，这个为有序性。（保证线程安全）
6、内存间交互操作：
（1）lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。
（2）unlock（解锁）：作用于主内存的变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
（3）read（读取）：作用于主内存变量，把主内存的一个变量读取到工作内存中。
（4）load（载入）：作用于工作内存，把read操作读取到工作内存的变量载入到工作内存的变量副本中
（5）use（使用）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的变量值传递给一个执行引擎。
（6）assign（赋值）：作用于工作内存的变量。把执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量。
（7）store（存储）：把工作内存的变量的值传递给主内存
（8）write（写入）：把store操作的值入到主内存的变量中
6.1、注意：
（1）不允许read、load、store、write操作之一单独出现
（2）不允许一个线程丢弃assgin操作
（3）不允许一个线程不经过assgin操作，就把工作内存中的值同步到主内存中
（4）一个新的变量只能在主内存中生成
（5）一个变量同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作。但lock操作可以被同一条线程执行多次，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会解锁 （6）如果对一个变量进行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或者assgin操作初始化变量的值。
（7）如果一个变量没有被锁定，不允许对其执行unlock操作，也不允许unlock一个被其他线程锁定的变量
（8）对一个变量执行unlock操作之前，需要将该变量同步回主内存中

堆的内存划分：

Java堆的内存划分如图所示，分别为年轻代、Old Memory（老年代）、Perm（永久代）。其中在Jdk1.8中，永久代被移除，使用MetaSpace代替。1、新生代：
（1）使用复制清除算法（Copinng算法），原因是年轻代每次GC都要回收大部分对象。新生代里面分成一份较大的Eden空间和两份较小的Survivor空间。每次只使用Eden和其中一块Survivor空间，然后垃圾回收的时候，把存活对象放到未使用的Survivor（划分出from、to）空间中，清空Eden和刚才使用过的Survivor空间。
（2）分为Eden、Survivor From、Survivor To，比例默认为8：1：1
（3）内存不足时发生Minor GC 2、
老年代：
（1）采用标记-整理算法（mark-compact），原因是老年代每次GC只会回收少部分对象。
3、Perm：
用来存储类的元数据，也就是方法区。
（1）Perm的废除：在jdk1.8中，Perm被替换成MetaSpace，MetaSpace存放在本地内存中。原因是永久代进场内存不够用，或者发生内存泄漏。
（2）MetaSpace（元空间）：
元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。
4、堆内存的划分在JVM里面的示意图：
GC垃圾回收：
一、 判断对象是否要回收的方法：
可达性分析法
1、 可达性分析法：
通过一系列“GC Roots”对象作为起点进行搜索，如果在“GC Roots”和一个对象之间没有可达路径，则称该对象是不可达的。不可达对象不一定会成为可回收对象。进入DEAD状态的线程还可以恢复，GC不会回收它的内存。（把一些对象当做root对象，JVM认为root对象是不可回收的，并且root对象引用的对象也是不可回收的）
2、 以下对象会被认为是root对象：
（1） 虚拟机栈（栈帧中本地变量表）中引用的对象
（2） 方法区中静态属性引用的对象
（3） 方法区中常量引用的对象
（4） 本地方法栈中Native方法引用的对象
3、 对象被判定可被回收，需要经历两个阶段：
（1） 第一个阶段是可达性分析，分析该对象是否可达
（2） 第二个阶段是当对象没有重写finalize()方法或者finalize()方法已经被调用过，虚拟机认为该对象不可以被救活，因此回收该对象。（finalize()方法在垃圾回收中的作用是，给该对象一次救活的机会）
4、 方法区中的垃圾回收：
（1） 常量池中一些常量、符号引用没有被引用，则会被清理出常量池 （2） 无用的类：
被判定为无用的类，会被清理出方法区。判定方法如下：
A、 该类的所有实例被回收
B、 加载该类的ClassLoader被回收
C、 该类的Class对象没有被引用
5、 finalize():
（1） GC垃圾回收要回收一个对象的时候，调用该对象的finalize()方法。然后在下一次垃圾回收的时候，才去回收这个对象的内存。
（2） 可以在该方法里面，指定一些对象在释放前必须执行的操作。

二、 发现虚拟机频繁full GC时应该怎么办：（full GC指的是清理整个堆空间，包括年轻代和永久代）
（1） 首先用命令查看触发GC的原因是什么 jstat –gccause 进程id
（2） 如果是System.gc()，则看下代码哪里调用了这个方法
（3） 如果是heap inspection(内存检查)，可能是哪里执行jmap –histo[:live]命令
（4） 如果是GC locker，可能是程序依赖的JNI库的原因

三、常见的垃圾回收算法：
1、Mark-Sweep（标记-清除算法）：
（1）思想：标记清除算法分为两个阶段，标记阶段和清除阶段。标记阶段任务是标记出所有需要回收的对象，清除阶段就是清除被标记对象的空间。（2）优缺点：实现简单，容易产生内存碎片
2、Copying（复制清除算法）：
（1）思想：将可用内存划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当进行垃圾回收的时候了，把其中存活对象全部复制到另外一块中，然后把已使用的内存空间一次清空掉。
（2）优缺点：不容易产生内存碎片；可用内存空间少；存活对象多的话，效率低下。
3、Mark-Compact（标记-整理算法）：
（1）思想：先标记存活对象，然后把存活对象向一边移动，然后清理掉端边界以外的内存。
（2）优缺点：不容易产生内存碎片；内存利用率高；存活对象多并且分散的时候，移动次数多，效率低下
4、分代收集算法：（目前大部分JVM的垃圾收集器所采用的算法）：
思想：把堆分成新生代和老年代。（永久代指的是方法区）
（1） 因为新生代每次垃圾回收都要回收大部分对象，所以新生代采用Copying算法。新生代里面分成一份较大的Eden空间和两份较小的Survivor空间。每次只使用Eden和其中一块Survivor空间，然后垃圾回收的时候，把存活对象放到未使用的Survivor（划分出from、to）空间中，清空Eden和刚才使用过的Survivor空间。
（2） 由于老年代每次只回收少量的对象，因此采用mark-compact算法。（3） 在堆区外有一个永久代。对永久代的回收主要是无效的类和常量
5、GC使用时对程序的影响？垃圾回收会影响程序的性能，Java虚拟机必须要追踪运行程序中的有用对象，然后释放没用对象，这个过程消耗处理器时间
6、几种不同的垃圾回收类型：
（1）Minor GC：从年轻代（包括Eden、Survivor区）回收内存。
A、当JVM无法为一个新的对象分配内存的时候，越容易触发Minor GC。所以分配率越高，内存越来越少，越频繁执行Minor GC
B、执行Minor GC操作的时候，不会影响到永久代（Tenured）。从永久代到年轻代的引用，被当成GC Roots，从年轻代到老年代的引用在标记阶段直接被忽略掉。
（2）Major GC：清理整个老年代，当eden区内存不足时触发。
（3）Full GC：清理整个堆空间，包括年轻代和老年代。当老年代内存不足时触发
JVM优化：
1、一般来说，当survivor区不够大或者占用量达到50%，就会把一些对象放到老年区。通过设置合理的eden区，survivor区及使用率，可以将年轻对象保存在年轻代，从而避免full GC，使用-Xmn设置年轻代的大小

2、对于占用内存比较多的大对象，一般会选择在老年代分配内存。如果在年轻代给大对象分配内存，年轻代内存不够了，就要在eden区移动大量对象到老年代，然后这些移动的对象可能很快消亡，因此导致full GC。通过设置参数：-XX:PetenureSizeThreshold=1000000，单位为B，标明对象大小超过1M时，在老年代(tenured)分配内存空间。

3、一般情况下，年轻对象放在eden区，当第一次GC后，如果对象还存活，放到survivor区，此后，每GC一次，年龄增加1，当对象的年龄达到阈值，就被放到tenured老年区。这个阈值可以同构-XX:MaxTenuringThreshold设置。如果想让对象留在年轻代，可以设置比较大的阈值。

4、设置最小堆和最大堆：-Xmx和-Xms稳定的堆大小堆垃圾回收是有利的，获得一个稳定的堆大小的方法是设置-Xms和-Xmx的值一样，即最大堆和最小堆一样，如果这样子设置，系统在运行时堆大小理论上是恒定的，稳定的堆空间可以减少GC次数，因此，很多服务端都会将这两个参数设置为一样的数值。稳定的堆大小虽然减少GC次数，但是增加每次GC的时间，因为每次GC要把堆的大小维持在一个区间内。

5、一个不稳定的堆并非毫无用处。在系统不需要使用大内存的时候，压缩堆空间，使得GC每次应对一个较小的堆空间，加快单次GC次数。基于这种考虑，JVM提供两个参数，用于压缩和扩展堆空间。（1）-XX:MinHeapFreeRatio 参数用于设置堆空间的最小空闲比率。默认值是40，当堆空间的空闲内存比率小于40，JVM便会扩展堆空间 （2）-XX:MaxHeapFreeRatio 参数用于设置堆空间的最大空闲比率。默认值是70， 当堆空间的空闲内存比率大于70，JVM便会压缩堆空间。（3）当-Xmx和-Xmx相等时，上面两个参数无效

6、通过增大吞吐量提高系统性能，可以通过设置并行垃圾回收收集器。（1）-XX:+UseParallelGC:年轻代使用并行垃圾回收收集器。这是一个关注吞吐量的收集器，可以尽可能的减少垃圾回收时间。（2）-XX:+UseParallelOldGC:设置老年代使用并行垃圾回收收集器。

7、尝试使用大的内存分页：使用大的内存分页增加CPU的内存寻址能力，从而系统的性能。-XX:+LargePageSizeInBytes 设置内存页的大小

8、使用非占用的垃圾收集器。-XX:+UseConcMarkSweepGC老年代使用CMS收集器降低停顿。

9、-XXSurvivorRatio=3，表示年轻代中的分配比率：survivor:eden = 2:3

10、JVM性能调优的工具：（1）jps（Java Process Status）：输出JVM中运行的进程状态信息(现在一般使用jconsole) （2）jstack：查看java进程内线程的堆栈信息。（3）jmap：用于生成堆转存快照 （4）jhat：用于分析jmap生成的堆转存快照（一般不推荐使用，而是使用Ecplise Memory Analyzer） （3）jstat是JVM统计监测工具。可以用来显示垃圾回收信息、类加载信息、新生代统计信息等。（4）VisualVM：故障处理工具
类加载机制：