JVM 介绍

1. 什么是 JVM

JVM 是 Java Virtual Machine（Java 虚拟机）的缩写。一台执行 Java 程序的机器。

2 .JAVA 语言的执行原理

计算机语言：
计算机能够直接执行的指令。这种指令和系统及硬件有关。

计算机高级语言：
在遵循语法的前提下，写一个文本文件，之后利用某种方式，把文本转换为计算机指令
执行。

A. 编译型语言（C 语言）：文本文件（.c） --> 编译器 --> 可执行文件(.exe) -->
执行机器指令。特点：运行速度快，但不能跨平台

B. 解释型语言（JavaScript）：文本文件 --> 解释器 --> 翻译成机器指令并执
行。特点：运行速度较慢，但能跨平台

JAVA 语言：先编译，后解释执行
文本文件(java) --> 编译器 --> class 文件(虚拟指令) --> JAVA 虚拟机（JVM）–> 解释为指令执行。

3.JDK+JRE+JVM

（1）JDK（IAVA开发环境）=：JRE+工具（编译器、调试器、其他工具）+类库
编译器：将JAVA文件编译为JVM能够看懂的文件（class文件）

（2）JRE（JAVA运行环境）：JVM+JAVA解释器
Java解释器：将虚拟指令解释为机器指令执行。

（3）JVM（JAVA虚拟机）

4. JAVA字节码文件结构

打开class文件查看结构
在class字节码最前面都会有cafe babe

什么是 u2，u4？
u2：代表数据占两个字节
u4：代表数据占四个字节
JDK 编译对应的版本号

• JDK7 --> 51
• JDK8 --> 52
• JDK9 --> 53
• JDK15 --> 59

结论

编译的本质就是将 java 源文件转为 JVM 能够认识的 16 进制 class 文件格式

三、 类加载机制

1 类加载过程

1.1 装载

（1）获取类的全限定类名，把 class 文件转为二进制流
（2）将二进制流中类的描述信息存入方法区中。如：创建时间、版本等… （3）将 java.lang.Class 对象存入堆中。

1.2 链接

（1）验证：验证被加载类的正确性：如文件的格式，元数据等。
（2）准备：在方法区中为静态变量分配空间，并设置初始值。

（3）解析：把类的符号引用转为直接引用。
符号引用：class 文件定义的内容
直接引用：JAVA 进程中真实的地址

1.3 初始化

为类的静态变量设置默认值、执行静态代码块。

2 类加载器

2.1 分类

不同的类加载器加载不同的类：

启动类加载器(Bootstrap classLoader): 主要负责加载 JAVA 中的 一些核心类库，主要是位于<JAVA_HOME>/lib/rt.jar 中。

拓展类加载器(Extension classLoader):主要加载 JAVA 中的一些拓展类，位于<JAVA_HOME>/lib/ext 中,是启动类加载器的子类。

应用类加载器(System classLoader): 主要用于加载 CLASSPATH 路径下我们自己写的类，是拓展类加载器的子类

2.2 双亲委派模型

如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给
父类的加载器去执行，如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器。如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回。
倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载。

四、 JVM 内存模型

1 什么是 JVM 内存模型

JVM 需要使用计算机的内存，Java 程序运行中所处理的对象或者算法都会使用 JVM 的内
存空间，JVM 将内存区划分为 5 块，这样的结构称之为 JVM 内存模型。

2 JVM 为什么进行内存区域划分

随着对象数量的增加，JVM 内存使用率也在增加，如果 JVM 内存使用率达到 100%，
则无法继续运行程序。为了让 JVM 内存可以被重复使用，我们需要进行垃圾回收。为了提
高垃圾回收的效率，JVM 将内存区域进行了划分。

3 JVM 内存划分

JVM 按照线程是否共享将内存首先分成两大类
线程独享区
只有当前线程能访问数据的区域，线程之间不能共享
线程独享区随线程的创建而创建，随线程的销毁而被回收
线程共享区
所有线程都可以访问的区域，
当线程被销毁的时候，共享区的数据不会立即回收，需要等待达到垃圾回收的阈（yu）
值之后才会进行回收。

4 程序计数器

程序计数器会记录当前线程要执行指令的内存地址，只占用一小部分内存区域，只记录一个
地址，所以我们认为程序计数器是不会出现内存溢出问题的分区。

5 本地方法栈

Java 中有些代码的实现是依赖于其他非 Java 语言的（C++），本地方法栈存储的是维护
非 Java 语句执行过程中产生的数据，一般我们认为本地方法栈不会出现内存的问题。

6 虚拟机栈

6.1 虚拟机栈的作用

存放当前线程中所声明的变量，包括基本数据类型的数据和引用数据类型的引用。
基本数据类型和引用数据类型划分的标准：

• 基本数据类型：
  变量在声明的时候，能够确认占用内存的大小。
• 引用数据类型：
  变量在声明的时候，不能确认占用内存的大小。
  引用数据类型将值的引用存放到虚拟机栈中，而对象存放在堆内存中，引用数据类型占用 4
  个字节存放地址

6.2 栈帧

每一个线程都会对应一个虚拟机栈，线程中的每个方法都会创建一个栈帧，存放本次方法执
行过程中所需要的所有数据。
如果我们一个线程中有多个方法的嵌套调用，虚拟机栈会对栈帧进行压栈和出栈操作。正在
执行的方法一定在栈顶，我们只能获取栈顶的栈帧，栈帧在虚拟机栈中先进后出。

6.3 栈帧的数据结构

局部变量
存放当前方法的局部变量，基本数据类型存值，引用数据类型存堆内存地址。
操作数栈
对方法中的变量提供计算的区域。
常量数据的引用
常量数据会存放到方法区的常量池中，不管是基本数据类型还是引用数据类型都会存放常量
池的地址
方法返回值的地址
方法返回数据会存到计算机内存的寄存器中。

6.4 虚拟机栈溢出异常

由于栈帧调用的深度太深，会出现虚拟机栈溢出异常（SOF 异常）。一般手动方法的调用
是不会出现这个异常的，如果出现这个异常 ，99%是由于递归。
可以通过修改虚拟机栈的内存大小设置栈帧的最大深度，指令为：

-Xss 虚拟机栈内存大小

一般栈帧深度达到 3000~5000 即可
太小：虚拟机栈容易溢出。
太大：每个线程占据的内存过大，影响线程数量。

7 方法区

在 java8 之后，我们把方法区称之为元空间（MetaSpace），方法区在逻辑上属于堆
的一部分，但一些具体机制和堆有所区别，如：一些 JVM 的方法区是可以不进行垃圾回收
的，关闭 JVM 时才会释放方法区内存。所以方法区还有一个别名叫非堆，目的是和堆分开。
方法区会存储类信息、静态变量、常量（JDK8 之后不存放字符串常量）、本地机器指
令。
如果加载大量 class 文件，也会造成方法区内存溢出，如一个 tomcat 运行 20~30 个
项目。

五、 JVM 执行引擎

1 什么是 JVM 执行引擎

执行引擎是 Java 虚拟机核心的组成部分之一。JVM 的将字节码装载到内存，但字节码
并不能够直接运行在操作系统之上。为了执行内存中的字节码文件指令,执行引擎
(Execution Engine)就要将字节码指令解释/编译为对应平台上的本地机器指令。

执行引擎的翻译过程有两种：
1、通过解释器将字节码文件转为机器指令执行；
2、使用即时编译器(JIT)将字节码文件的二进制流编译成机器指令执行。

目前市面的主流 JVM 采用解释器与即时编译器并存的架构。在 Java 虚拟机运行时，解
释器和即时编译器相互协作，取长补短。在今天，Java 程序的运行性能早已脱胎换骨,已经
达到了可以和 C/C++程序一较高下的地步。

2 解释器与即时编译器

解释器每次解释都会将字节码文件解释为机器指令。整体效率较低，但当程序启动后, 解释器可以马上发挥作用，省去编译的时间，立即执行。

即时编译器则会将字节码文件编译为机器指令，存在方法区中，编译完成后直接执行本
地机器指令即可。编译器把代码编译成本地代码需要一定的执行时间，但编译为本地代码后
执行效率高。

当 Java 虚拟器启动时，解释器首先发挥作用，不必等待即时编译器全部编译完成后再
执行。随着时间的推移，编译器把越来越多的代码编译成本地代码，此时运行本地机器指令，
获得更高的执行效率。

六、 堆内存模型

JVM 将对象存放在堆内存中，堆内存所需要的空间是比较大的。我们对于 JVM 的调优
也主要是针对堆内存的调优，比如分配堆内存的空间，那么我们如何能确定堆内存需要分配
多少空间呢？我们需要大概计算每个对象所占的空间大小

1 JAVA 对象内存布局

JAVA 对象在内存中主要有以下几部分：

对象头
MarkWord：一系列标记位（哈希码、分代年龄、锁状态标记等），在 64 位系统中占
8 字节。
ClassPoint：对象对应的类信息的内存地址，在 64 位系统中占 8 字节。
Length：数组对象特有，表示数组长度，占 4 字节。

实例数据
包含了对象的所有成员变量，大小由变量类型决定。
byte、boolean：1 字节
short：2 字节
char：2~3 字节
int、float：4 字节
long、double、引用数据类型：8 字节

对其填充
将对象大小填充为 8 字节的整数倍

2 JVM 内存溢出和垃圾回收机制

为什么要进行垃圾回收：
如果对象只创建不回收，会造成堆内存溢出(OOM)异常。
为什么要进行堆内存分区：

• 提高搜索垃圾的效率。
• 垃圾回收后可以更好的利用内存空间，存放大对象。
• 尽可能减少 GC 次数。

3 JVM 堆内存的划分

老年代：

对象会优先分配到新生代内存中，每次 GC 后没有回收的对象年龄加 1，年龄到15 还没有被回收，对象会存放到老年代内存中；如果对象较大，超过新生代内存的一半，对象也会存放到老年代区域。

新生代：

为了减少young区垃圾回收后的空间碎片，新生代又分为Eden区和两个Survivor
区，且始终有一个 Suvivor 区保持闲置。对象会先存放到 Eden 区当中，Eden 区空间
满了之后会进行 young 区的垃圾回收，之后将 young 区所有存活的对象复制到闲置
的 Suvivor 区中，并清空 Eden 区和正在使用的 Survivor 区。

4 YoungGC 和 OldGC

YoungGC

新生代区域的垃圾回收称之为 YoungGC，也叫 MinorGC，Eden 区满后会触发YoungGC

OldGC

老年代区域的垃圾回收称之为 OldGC，也叫 MajorGC，OldGC 非常浪费性能，
所以我们的 JVM 调优要尽可能减少 OldGC 的次数， OldGC 往往伴随着 YoungGC。
YoungGC+OldGC = FullGC

问题：
- 1.Survivor 区空间并不大，如果满了怎么办？
（1）一般情况下 GC 会回收 95%的对象，且超过 15 次 GC 的对象会存放到 old
去，所以 Survivor 区不容易满。
（2）如果 Survivor 区满了，会触发担保机制，提前将对象存入 Old 区。

- 2.为什么需要 Survivor 区？
为了减少垃圾回收带来的空间碎片，空间碎片过多会频繁触发 YoungGC。

- 3.为什么需要两块 Survivor 区？
为了减少 Survivor 区的空间碎片。

七、 垃圾回收机制

堆内存模型设计是为了提高垃圾回收的效率，那么如何判断一个对象是垃圾？

1 如何判断一个对象是垃圾

引用计数法：

如果要操作对象，必须通过引用来进行。如果一个对象没有任何引用与之关联，则说明
该对象基本不太可能在其他地方被使用到。那么这个对象就成为可被回收的对象了。这种方
式实现简单，效率较高，但是它无法解决循环引用的问题，因此在 Java 中并没有采用这种
方式（Python 采用的是引用计数法）。

可达性分析：

以一个 GC Root 对象作为起点进行搜索，如果在 GC Roots 和对象之间没有可达路径，
则称该对象是不可达的。

GC ROOT 对象：

• 栈帧中的本地变量表中引用的对象。
• 方法区中静态属性引用的对象。
• 方法区中常量引用的对象。
• 本地方法栈中引用的对象。

2 垃圾回收算法

（1）标记——清除算法：效率较低，有空间碎片。Old 区使用的算法
（2）复制算法：空间碎片少，但会浪费空间。存活对象较少才会使用的算法。young
区使用的算法

（3）标记——整理算法：空间碎片少，效率较低。Old 区使用的算法。

3 垃圾收集器的评判标准

垃圾收集器是对垃圾回收算法的实现，JVM 中提供了很多垃圾收集器，我们如何评判一个垃圾收集器的好坏呢？

垃圾收集器的执行效率 = 吞吐量 / 停顿时间
吞吐量 = 用户代码执行时间/(用户代码执行时间+停顿时间)

4 垃圾收集器的类型

• 串行收集器：
  只有一个垃圾回收线程，在垃圾回收时暂停用户代码线程，如 Serial 和 Serial Old收集器。
  
• 并行收集器

吞吐量优先，多个垃圾收集器线程共同工作, 尽快完成垃圾收集。如 ParNew，Parallel Scanvenge, Parallel Old 收集器

• 并发收集器

停顿时间优先，用户线程和垃圾回收线程一同工作，用户代码线程也会完全停止一小段时间，如CMS，G1 收集器。

5 CMS 收集器

CMS（concurrent mark sweep，并发标记扫描）收集器是并发收集器，是基于标记 ——清理的算法进行垃圾回收，用于 OldGC。

• 优点：并发收集、低停顿
• 缺点：会产生大量空间碎片，停顿时间虽然短但是不可控。

问：CMS 收集器为什么不进行并发的初始标记？
因为初始标记速度很快，不值得多开线程，开线程也是需要耗费资源的。

6 G1 收集器

G1（garbage first，垃圾优先）收集器是并发收集器，从 JDK1.7 开始支持，能进行OldGC 和 YoungGC。Old 区采用标记整理算法，Young 区采用复制算法。

G1 收集器没有固定的 Old、Young、Eden、Survivor 区，而是将内存分为一个个大小相等的 Region（格子，1Mb~32Mb)。每次垃圾回收后，Region 的用途可以发生改变，提高了内存的灵活性和利用率。
G1 收集器可以根据开发者设置的参数，停顿时间的期望值，优先筛选回收存活的对象
比较少，垃圾对象比较大的区域 Region，可以把更多空余的空间释放出来。

7 ZGC 收集器

ZGC 从 JDK11 开始支持，目前还是一个实验性版本，原理类似 G1。是目前收集效率
最高的垃圾收集器，平均暂停时间为 0.05 毫秒。

8 如何选择垃圾收集器？

• 优先让服务器自己来选择
• 如果内存小于 100M，使用串行收集器
• 如果服务器是单核，并且没有停顿时间要求，使用串行收集器
• 如果允许停顿时间超过 1 秒，选择并行收集器
• 如果停顿时间不能超过 1 秒，使用并发收集器

八、 JVM 参数设置

1 JVM 参数设置方式

Intellij idea：在运行设置的 VM Option 中设置。
tomcat：进入 Tomcat 的 bin 目录下，打开文件 catalina.bat/catalina.sh，修改如下
参数

set "JAVA_OPTS=参数"

2 JVM 参数类型

（1）标准参数：不随 jdk 版本的变化而变化的参数，如：-version
（2）-X 参数：不能保证所有的 JVM 都支持。
如：-Xcomp：使用即时编译器执行字节码文件
-Xint：使用解释器执行字节码文件
-Xmixed：混合模式，先使用解释器，即时编译器编译好后执行机器指令。
（3）-XX 参数：不能保证所有的 JVM 都支持。
A. Boolean 类型参数：
-XX:+UseG1GC：使用 G1 收集器
-XX:-UseG1GC：不使用 G1 收集器
B. Key-Value 类型参数：
-XX:MaxTenuringThreshold=15：对象年龄达到 15 就会进入老年代

3 常用参数

九、 JVM 常用命令和常用工具

1 JVM 常用命令

jps：查看当前执行的所有 JAVA 进程
jinfo：实时查看 JVM 参数
jinfo -flag InitialHeapSize PID：JAVA 进程堆内存大小
jinfo -flag UseG1GC PID：JAVA 进程是否使用 G1GC
jinfo -flag UseParallelGC PID：JAVA 进程是否使用 ParallelGC
jstat：虚拟机性能信息
jstat -class PID 1000：每秒查看一次虚拟机中类加载信息
jmap：打印快照
jmap -heap PID：查看堆存储快照
jmap -dump:format=b,file=heap.hprof PID：在出现内存溢出异常时，将堆内存的信息下载到文件中

十一、 JVM 调优思路

1 高并发环境下如何配置堆和垃圾回收器？

2 生产环境 JVM 问题的排查

3 常见面试题补充

内存泄漏和内存溢出是一样的概念吗?

不一样，内存泄漏指不再使用的对象无法得到及时的回收，持续占用内存空间，造成内存空间的浪费。内存溢出指程序运行要用到的内存大于能提供的最大内存。内存无法内存泄漏很容易导致内存溢出，内存溢出不一定是内存泄漏导致的。

GC Root 不可达的对象一定会被回收吗？

不一定，不可达的对象也不是非死不可的，G1 收集器最终就会筛选要回收的对象。

方法区中的类会被回收吗?

有可能。需要满足以下三个条件：
（1）该类的所有的实例都已经被回收了。
（2）该类的 ClassLoader 已经被回收了。（3）java.lang.class 对象没有任何地方使用。

CMS 和 G1 的区别
cms 只能适用于老年代，g1 可以用于老年代和新生代。
cms 使用了标记——清除算法，会产生大量碎片，g1 使用标记——整理算法，减
少了碎片的产生。
g1 更加灵活，它将内存分为了一块块 region，并且停顿时间可控。

JVM内存区域

JVM执行引擎

堆内存模型

可达性分析

类加载过程

栈帧

栈帧的结构