JAVA高阶私房菜：JVM虚拟机核心概念及参数微调实验

基础快速掌握

什么是JVM虚拟机

JVM的的实现

操作系统-虚拟机-JRE-JDK的关系

生产环境部署JDK还是JRE

JVM内存组成部分和堆空间分布

内存组成

堆空间内存分布

内存分布

堆空间分配

JVM堆空间垃圾回收流程及JVM参数

垃圾回收流程

JVM参数分类

JVM参数格式分类

JVM堆栈内存配置参数

JVM常见的命令行参数配置

JVM虚拟机栈参数调整和溢出案例

JVM虚拟机栈参数调整

调试代码查看栈帧

栈溢出抛错测试

Jmeter5.x压测案例

压测参数

JVM参数

JDK8之后的方法区实现和元空间的联系

什么是方法区和元空间

元空间大小配置

什么时候容易出现元空间不足

JVM迄今为止都是程序员老生常谈的话题，实话说我每一次研究探索完后都会忘一次，但好在每次都有新的见解，再加上JDK每迭代更新一版都会有新的特性和改良，对此，我们就当温故知新，增进新的理解，弥补不足，在这里我们不讲大而全的知识，也不会讲老旧的知识点，主要围绕在工作和面试中最高频的点，聚焦于JDK9之后的关键内容进行剖析。

基础快速掌握

什么是JVM虚拟机

Java Virtual Machine是一种虚拟机，它是Java程序运行的环境。JVM提供了Java程序的运行时环境，包括内存管理、垃圾回收、安全性、类加载等功能，是Java语言的核心，它使Java语言具有跨平台的特性（一次编译四处运行）。

JVM的的实现

虚拟机名称	说明
HotSpot	是Sun JDK和OpenJDK中所带的虚拟机，也是目前使用范围最广的Java虚拟机，主要使用C++实现，JNI接口部分用C实现
JRockit	除 HotSpot 之外另一款比较厉害的 VM，一开始是BEA 公司的，一度获取运行最快的虚拟机。 Oracle 在 2008 年收购了 BEA 公司，JRockit 与 HotSpot 同属于 Oracle
J9 VM	基于IBM公司开发的JDK，主要应用在IBM公司开发的的软件或服务器端，如：嵌入式、服务端、桌面等，基本上IBM本司出品的产品都是用的J9 VM

JVM有以上产品实现，这里主要列了这几个，当然还有其他的实现，这些JVM在具体实现上会存在一些差异，而且在不同的场景下他们表现都不一样，这些差异主要体现在性能、稳定性、兼容性等多个方面，虽说有诸多区别，但所提供的基础能力都基本一致。

操作系统-虚拟机-JRE-JDK的关系

操作系统：操作系统是计算机硬件和应用程序之间的桥梁，负责管理计算机的硬件资源，如CPU、内存、硬盘和网络等。

虚拟机：虚拟机是一种软件，它在操作系统之上运行，提供了一个独立的、虚拟的计算机环境，用于执行Java程序。

JRE：Java Runtime Environment（JRE）是Java程序的运行环境，它包含Java虚拟机（JVM）和Java类库。它提供了Java程序运行所需的基本环境，但它没有提供Java程序的开发工具。

JDK：Java Development Kit（JDK）是Java程序的开发工具包，它包含JRE、编译器、调试器和其他开发工具，提供了Java程序的开发、编译、调试和部署所需的全部工具。

生产环境部署JDK还是JRE

在生产环境部署Java程序时，一般会选择安装JRE而不是JDK
JRE安装包更小，打包成镜像更省空间，但是缺少相关调试开发工具，比如以下的
- 编译器：JRE中没有Java编译器，无法将Java源代码编译成字节码文件。
- 调试器：JRE中没有Java调试器，无法进行Java程序的调试和测试
但在某些特殊情况下，如需要进行Java程序的开发、编译、调试等操作时，就需要安装JDK

JVM内存组成部分和堆空间分布

内存组成

基于JDK8的HotSpot虚拟机，不同虚拟机不同版本会有不一样

名称	作用	特点
程序计数器	也叫PC寄存器，用于记录当前线程执行的字节码指令位置，以便线程在恢复执行时能够从正确的位置开始	线程私有
Java虚拟机栈	用于存储Java方法执行过程中的局部变量、方法参数和返回值，以及方法执行时的操作数栈	线程私有
本地方法栈	用于存储Java程序调用本地方法的参数和返回值等信息。	线程私有
堆	用于存储Java程序创建的对象，所有线程共享一个堆，堆中的对象可以被垃圾回收器回收，以便为新的对象分配空间	线程共享
元数据区	用于存储类的元数据信息，如类名、方法名、字段名等，以及动态生成的代理类、动态生成的字节码等元空间是位于本地(直接)内存中的，而不是像JDK8之前方法区位于堆内存中的。	线程共享

堆空间内存分布

内存分布

用于存储Java程序创建的对象，所有线程共享一个堆，堆中的对象可以被垃圾回收器回收，以便为新的对象分配空间。

堆空间分配

JVM堆空间垃圾回收流程及JVM参数

垃圾回收流程

新建对象，放到Eden区，满后触发Minor GC（每次都是由Eden区满触发Minor GC，接连放对象到S0或S1）
存活的对象移动到Survivor的S0区，如果S0满后触发Minor GC
S0存活下来的对象移动到S1区，然后S0区空闲
S1满后触发Minor GC，再次移动到S0区，然后S1区空闲
反复GC每次对象涨1岁，到达一定次数后(默认15)，进入老年代
当老年代内存不足会触发Full GC，出现STW（Stop-The-World）
堆被垃圾回收，基本都是采用分代收集算法，不通区域的采用不同的垃圾回收算法
方法结束后，堆中的对象不会马上移除，在垃圾回收的时候才会被移除（不是实时GC的，ThreadLocal里面说过）

直通车：Java高阶私房菜：深入解析多线程场景下ThreadLocal应用-CSDN博客

JVM参数分类

JVM参数格式分类

格式	解释	例子
标准参数(-)	所有JVM都实现这些参数的功能	-verbose:gc 打印GC简要信息
非标准参数(-X)	不保证所有JVM实现都满足	-Xmx2048m等价 -XX:MaxHeapSize JVM最大堆内存为2048M
非稳定参数(-XX)	不稳定未来可能取消，但很有用	-XX:+PrintGCDetails每次GC时打印详细信息。
-XX:+	开启对应的参数	-XX:+PrintGCDetails 开启每次GC时打印详细信息。
-XX:-	关闭对应的参数	-XX:-DisableExplicitGC 禁止调用System.gc()
-XX:=	设定数字参数	-XX:NewRatio=2 新生代和老年代内存比例

JVM堆栈内存配置参数

参数	解释
-Xms	初始堆大小，推荐和最大堆一样
-Xmx	最大堆大小，推荐和初始堆一样
-Xmn	年轻代大小
-Xss	每个线程的栈大小

JVM常见的命令行参数配置

参数	解释
-XX:+PrintGCDetails	打印GC回收信息
-XX:NewRatio	新生代和老年代空间大小的比率，由`-XX:NewRatio`参数控制 `-XX:NewRatio`参数的默认值是2，表示新生代和老年代的比例是1:2 如果将`-XX:NewRatio`设置为4，表示新生代和老年代的比例是1:4
-XX:MaxMetaspaceSize	元空间所分配内存的最大值，默认没限制
-XX:+UseConcMarkSweepGC	设置并发收集器

JVM虚拟机栈参数调整和溢出案例

JVM虚拟机栈参数调整

栈是用来存储Java程序中的方法调用和局部变量的内存区域，每个线程都有自己的虚拟机栈，其生命周期与线程相同。当一个方法被调用时，Java虚拟机会在该线程的虚拟机栈中创建一个栈帧，用来存储该方法的局部变量、方法返回值等信息。

默认情况下，JVM虚拟机栈的大小是固定的，JDK1.5后通常为1MB。如果线程在执行方法时需要更多的栈空间，JVM会抛出StackOverflowError异常，JVM参数 xss，比如 -Xss1m 表示1MB。

调试代码查看栈帧

public class StackFrameDemo {

    public static void main(String[] args) {
        StackFrameDemo demo = new StackFrameDemo();
        demo.method1();
    }

    public void method1() {
        String str = "Hello";
        method2(str);
        System.out.println("method1--完成");
    }

    public void method2(String str) {
        int num = 123;
        method3(str, num);
        System.out.println("method2--完成");
    }

    public void method3(String str, int num) {
        double d = 3.14;
        method4(str, num, d);
        System.out.println("method3--完成");
    }

    public void method4(String str, int num, double d) {
        // 查看当前栈帧信息
        System.out.println("Current Stack Frame:");
        StackTraceElement[] stackTrace = Thread.currentThread().getStackTrace();
        for (StackTraceElement element : stackTrace) {
            System.out.println(element.toString());
        }
        System.out.println("method4--完成");

    }
}

栈溢出抛错测试

栈越小，递归调用的次数就越少，因为栈空间不足导致栈溢出异常
栈越大，递归调用的次数就越多，因为有足够的栈空间来存储方法调用的信息

//栈参数,最少208k
-Xss524k
-Xss1m
-Xss10m

//代码案例
public class StackSizeDemo {

    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        try {
            recursiveMethod();
        } catch (Throwable t) {
            System.out.println("Stack overflow after " + count + " invocations.");
            t.printStackTrace();
        }
    }

    private static void recursiveMethod() {
        count++;
        recursiveMethod();
    }
}

Jmeter5.x压测案例

@RestController
@RequestMapping("api/v1/data")
public class DataController {

    @RequestMapping("compute")
    public String compute() {
        Byte[] b = new Byte[1024*1024];
        return "success";
    }
}

压测参数

JVM参数

参数-Xms64m -Xmx64m

参数 -Xms640m -Xmx640m

JDK8之后的方法区实现和元空间的联系

什么是方法区和元空间

方法区是JVM中用来存储类的元数据信息的区域，包括类的结构、方法、字段信息等，Java堆类似各个线程共享的内存区域

元空间、永久代是方法区具体的落地实现Java8之前是称之为永久代（PermGen），java8后引入了一个新概念元空间用于替代旧版JVM中的永久代。

方法区和永久代以及元空间的关系很像 Java 中接口和类的关系
类实现了接口，类就可以看作是永久代和元空间，接口可以看作是方法区
永久代是 JDK 1.8 之前的方法区实现，JDK 1.8 及以后方法区的实现便成为元空间

元空间的大小是动态的，可以根据需要进行自动扩展，如果元空间不足，JVM会抛出 OutOfMemoryError : Metaspace

元空间大小配置

-XX:MetaspaceSize

用来设置元空间初始大小的参数，它的默认值是21 MB

-XX:MaxMetaspaceSize

用来设置元空间最大大小的参数，它的默认值是-1 即不限制，使用的是本地内存，不像旧版的永久代是堆内存。如果不限制元空间的大小，可能会导致元空间占用过多的内存，从而引起内存溢出。

系统参数查看

这两个参数的单位是字节（B），可以使用K、M、G等后缀来表示更大的单位。

public class HeapDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("元空间溢出测试");
        Thread.sleep(10000000);
    }
}

jps #查看进程号
jinfo -flag MetaspaceSize 进程号  #查看Metaspace分配内存空间 
jinfo -flag MaxMetaspaceSize 进程号 #查看Metaspace最大空间

# 调整参数
-XX:MetaspaceSize=126m -XX:MaxMetaspaceSize=524m

当空间不足时抛出异常信息： “Java.Lang.OutOfMemoryError：Metaspace”

什么时候容易出现元空间不足

应用程序使用大量的反射技术，例如使用Class.forName()等方法加载类，或者使用Java Reflection API进行操作
使用大量的动态代理技术，例如使用Java Proxy类等技术
使用大量的注解，例如使用Spring框架的注解等
使用的第三方库过多，这些库可能会在运行时动态生成新的类，导致元空间内存占用过多。
应用程序的业务逻辑比较复杂，需要加载大量的类
应用程序使用大量的JSP页面，其中每个页面都对应一个类文件（现在很少）