JVM

JVM 简单理解就是运行 Java 等语言的“操作系统”，没有 JVM，Java 程序就无法运行，JVM 自己“设计”了一套适合自己使用的内存结构。本篇文章就来整理一下，没有用到的就不写进来了，用过的或者学习的整理进来。

一、JVM内存模型

JVM内存模型图

方法区和堆是所有线程共享的内存区域；而Java虚拟机栈、本地方法栈和程序员计数器是运行是线程私有的内存区域。

• Java堆（Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有 线程共享 的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
• 元空间（Meta Space）/方法区（Method Area），方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个 线程共享 的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
• 程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。当线程发生切换时，记录上次线程挂起的位置，之后线程切换回来的时候，继续从上次记录的位置开始执行。
• 虚拟机栈（JVM Stacks）,与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
• 本地方法栈（Native Method Stacks），本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

说到方法区，不得不提一下“永久代”这个概念，尤其是在JDK8以前，许多Java程序员都习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序，很多人都更愿意把方法区称呼为“永久代”（Permanent Generation），或将两者混为一谈。本质上这两者并不是等价的，因为仅仅是当时的HotSpot虚拟机设计团队选择把收集器的分代设计扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样使得 HotSpot的垃圾收集器能够像管理Java堆一样管理这部分内存，省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。

但现在回头来看，当年使用永久代来实现方法区的决定并不是一个好主意，这种设计导致了Java应用更容易遇到内存溢出的问题（永久代有-XX：MaxPermSize的上限，即使不设置也有默认大小，而J9和JRockit只要没有触碰到进程可用内存的上限，例如32位系统中的4GB限制，就不会出问题），而且有极少数方法 （例如String::intern()）会因永久代的原因而导致不同虚拟机下有不同的表现。当Oracle收购BEA获得了JRockit的所有权后，准备把JRockit中的优秀功能，譬如Java Mission Control管理工具，移植到HotSpot虚拟机时，但因为两者对方法区实现的差异而面临诸多困难。

考虑到HotSpot未来的发展，在JDK 6的时候HotSpot开发团队就有放弃永久代，逐步改为采用本地内存（Native Memory）来实现方法区的计划了，到了JDK 7的HotSpot，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出，而到了JDK 8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Meta-space）来代替，把JDK 7中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。

以上内容摘自 《深入理解Java虚拟机第二版》 周志明

JNI（Java Native Interface）

JNI 是 Java Native Interface 的缩写，它提供了若干的API实现了Java和其他语言的通信（主要是C和C++）。

JNI 的适用场景：当我们有一些旧的库，已经使用C语言编写好了，如果要移植到Java上来，非常浪费时间，而JNI可以支持Java程序与C语言编写的库进行交互，这样就不必要进行移植了。或者是与硬件、操作系统进行交互、提高程序的性能等，都可以使用JNI。需要注意的一点是需要保证本地代码能工作在任何Java虚拟机环境。

一旦使用 JNI，Java 程序将丢失了 Java 平台的两个优点：

1、程序不再跨平台，要想跨平台，必须在不同的系统环境下程序编译配置本地语言部分。

2、程序不再是绝对安全的，本地代码的使用不当可能会导致整个程序崩溃。一个通用规则是，调用本地方法应该集中在少数的几个类当中，这样就降低了 Java 和其他语言之间的耦合。

常量池

要理解常量池，首先要知道，常量池分3种类型：

1. Class文件内容里的常量池
2. 运行时常量池（Runtime Constant Pool）
3. 各个包装类型里实现的常量池，例如 String 类里面的字符串常量池（String Pool）

Class 常量池

Java 代码在经过编译器后，会生成一个 Class 文件，这个常量池就是Class文件里的一大段内容（通常是最大的一段内容），它主要存放着 字面量、符号引用 等信息，在 JVM 把 Class 文件加载完成后，Class 常量池里的数据会存放到运行时常量池中。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

运行时常量池是元空间/方法区（Method Area）的一部分，运行时常量池中存储的，是 基本类型的数据 和 对象的引用，注意是对象的引用而不是对象实例本身哦。

Java 虚拟机在加载 Class 文件时，Class 文件内容里常量池的数据会放入运行时常量池。每一个加载好的 Class 对象里都会有一个运行时常量池。

字符串常量池（String Constant Pool）& 其他包装类型里实现的常量池

字符串由一个char[]构成（Java9 之后使用 byte[]），当我们的Java程序里频繁出现相同字面量的代码时，重复的创建和销毁对象是一件很浪费资源的事情，所以Java实现了一个字符串常量池。

JDK7 之后，字符串常量池从方法区迁移到了堆区，它的底层实现可以理解为是一个 HashTable。Java 虚拟机中只会存在一份字符串常量池。字符串常量池里，存放的数据可以是引用也可以是对象实例本身。

字符串常量池也具备运行时常量池动态性的特征，它支持运行期间将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用比较多的就是 String.intern() 方法。

上面的一堆都不重要，重要的是只要记住在 Java 中，字符串字面量都是存储在 字符串常量池 中的。例如：

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// 此种赋值方式称为字符串字面量，如果你学过 Rust 语言，很好理解
String str = "abcd";

基本类型的包装类和常量池

Byte、Short、Integer、Long、Character、Boolean 这 6 种包装类和 String 都各自实现了自己的常量池。Float 和 Double 这两个浮点类型没有实现常量池。

字符串常量池（String pool）的实例

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String str1 = "jhlz";

当以上代码运行时，JVM会到字符串常量池查找 “jhlz” 这个字面量对象是否存在：

• 存在：则返回该对象的引用给变量 str1 。
• 不存在：则创建一个对象，同时将引用返回给变量 str1 。（JDK8之后，对象实例直接存储在字符串常量池里）

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String str1 = "jhlz";
String str2 = "jhlz";
System.out.println(str1 == str2);//str1 和 str2 都指向同一个对象，返回TRUE

// 使用 new 关键字创建 String 对象时，不管字符串常量池中是否有相同内容的对象的引用，新的字符串对象都会创建
String str3 = new String("jhlz");
System.out.println(str1 == str3); //返回FALSE

对于使用了 new 创建的字符串对象，如果想要将这个对象添加到字符串常量池，可以使用 intern() 方法。

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String str1 = "jhlz";
String str2 = "jhlz";
String str3 = new String("jhlz");
String str4 = str3.intern();
System.out.println(str4 == str1);//返回TRUE

intern() 方法会检查字符串常量池中是否有与之匹配的对象，并做如下操作：

• 存在：直接返回对象引用给interns变量。
• 不存在：将这个对象引用加入到常量池，再返回对象引用给interns变量。

二、调优命令

Sun JDK监控和故障处理命令有jps jstat jmap jhat jstack jinfo
jps：JVM Process Status Tool,显示指定系统内所有的HotSpot虚拟机进程。
jstat：JVM statistics Monitoring是用于监视虚拟机运行时状态信息的命令，它可以显示出虚拟机进程中的类装载、内存、垃圾收集、JIT编译等运行数据。
jmap：JVM Memory Map命令用于生成heap dump文件。
jhat：JVM Heap Analysis Tool命令是与jmap搭配使用，用来分析jmap生成的dump，jhat内置了一个微型的HTTP/HTML服务器，生成dump的分析结果后，可以在浏览器中查看jstack，用于生成java虚拟机当前时刻的线程快照。
jinfo：JVM Configuration info 这个命令作用是实时查看和调整虚拟机运行参数。
jstack：查找死锁。

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jmap ‐dump:format=b,file=eureka.hprof 14660
# jstack pid -A 后面数字为显示的线程所在行的后面10行，最后的参数是线程id的16进制表示。
jstack 19663|grep -A 10 4cd0

jstat -gc pid

# 打印GC日志方法 %t：时间
java ‐jar ‐Xloggc:./gc‐%t.log ‐XX:+PrintGCDetails ‐XX:+PrintGCDateStamps ‐XX:+PrintGCTimeStamps ‐XX:+PrintGCCause ‐XX:+UseGCLogFileRotation ‐XX:NumberOfGCLogFiles=10 ‐XX:GCLogFileSize=100M xxxx.jar

三、常见调优工具

常用调优工具分为两类,jdk自带监控工具：jconsole和jvisualvm，第三方有：MAT(Memory Analyzer Tool)、GChisto。
jconsole，Java Monitoring and Management Console是从java5开始，在JDK中自带的java监控和管理控制台，用于对JVM中内存，线程和类等的监控
jvisualvm，jdk自带全能工具，可以分析内存快照、线程快照；监控内存变化、GC变化等。
MAT，Memory Analyzer Tool，一个基于Eclipse的内存分析工具，是一个快速、功能丰富的Java heap分析工具，它可以帮助我们查找内存泄漏和减少内存消耗
GChisto，一款专业分析gc日志的工具

Arthas

首先下载到本机，用java -jar运行即可，可以识别机器上所有Java进程。

输入dashboard可以查看整个进程的运行情况，线程、内存、GC、运行环境信息。详细使用参照 官方文档。

四、JVM垃圾收集算法

• 引用计数法
• 根可达算法
• 标记清除算法
• 标记复制算法
• 标记整理算法

五、JVM经典优化技术

• 方法内联：

方法内联就是把目标方法的代码原封不动地 “复制” 到发起调用的方法之中，避免发生真实的方法调用而已。但实际上Java虚拟机中的内联过程却远没 有想象中容易，甚至如果不是即时编译器做了一些特殊的努力，按照经典编译原理的优化理论，大多 数的Java方法都无法进行内联。
除了消除方法调用的成本之外，它更重要的意义是为其他优化手段建立良好的基础。

只有使用 invokespecial指令调用的私有方法、实例构造器、父类方法和使用invokestatic指令调用的静态方法才会 在编译期进行解析。除了上述四种方法之外（最多再除去被final修饰的方法这种特殊情况，尽管它使 用invokevirtual指令调用，但也是非虚方法，《Java语言规范》中明确说明了这点），其他的Java方法 调用都必须在运行时进行方法接收者的多态选择，它们都有可能存在多于一个版本的方法接收者，简 而言之，Java语言中默认的实例方法是虚方法。

• 逃逸分析：

逃逸分析（Escape Analysis）是目前Java虚拟机中比较前沿的优化技术，它与类型继承关系分析一样，并不是直接优化代码的手段，而是为其他优化措施提供依据的分析技术。
逃逸分析的基本原理是：分析对象动态作用域，当一个对象在方法里面被定义后，它可能被外部方法所引用，例如作为调用参数传递到其他方法中，这种称为方法逃逸；甚至还有可能被外部线程访问到，譬如赋值给可以在其他线程中访问的实例变量，这种称为线程逃逸；从不逃逸、方法逃逸到线 程逃逸，称为对象由低到高的不同逃逸程度。如果能证明一个对象不会逃逸到方法或线程之外（换句话说是别的方法或线程无法通过任何途径 访问到这个对象），或者逃逸程度比较低（只逃逸出方法而不会逃逸出线程），则可能为这个对象实 例采取不同程度的优化
比如栈上分配、标量替换、同步消除都是以此为基。

• 公共子表达式消除

公共子表达式消除是一项非常经典的、普遍应用于各种编译器的优化技术，它的含义是：如果一个表达式E之前已经被计算过了，并且从先前的计算到现在E中所有变量的值都没有发生变化，那么 E 的这次出现就称为公共子表达式。对于这种表达式，没有必要花时间再对它重新进行计算，只需要直 接用前面计算过的表达式结果代替E。
如果这种优化仅限于程序基本块内，便可称为局部公共子表达式消除（Local Common Subexpression Elimination），如果这种优化的范围涵盖了多个基本块，那就称为全局公共子表达式消除（Global Common Subexpression Elimination）。

• 数组边界检查消除

附：JVM指令码