JVM规范官方文档

JVM是一个跨语言的平台,加载字节码文件,翻译成不同系统的机器指令进行运行

JVM.jpg

字节码文件可视化,可以在 idea-plugins 安装【jclasslib bytecode viewer】
通过idea-view-show bytecode with jclasslib 查看

class文件结构:

ClassFile {
    u4             magic;    (魔数,识别class文件格式 0xCAFEBABE) 4字节 
    u2             minor_version; (小版本) 2字节 
    u2             major_version; (大版本) 2字节
    u2             constant_pool_count; (常量池计数器) 2字节
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1]; (常量池表) n字节
    u2             access_flags; (访问标识) 2字节
    u2             this_class; (类索引) 2字节
    u2             super_class; (父类索引) 2字节
    u2             interfaces_count; (接口计数器) 2字节
    u2             interfaces[interfaces_count]; (接口索引集合) 2字节
    u2             fields_count; (字段计数器) 2字节
    field_info     fields[fields_count]; (字段表) n字节
    u2             methods_count;  (方法计数器) 2字节
    method_info    methods[methods_count]; (方法表) n字节
    u2             attributes_count; (属性计数器) 2字节
    attribute_info attributes[attributes_count]; (属性表) n字节
}

包装类对象缓存范围

类的加载过程:

类的加载过程.jpg

加载(Loading):

1. 通过本地磁盘/网络获取class文件
2. 在【运行时数据区-元空间】生成这个Class类信息 （会在验证通过后执行）

链接(Linking):

• 验证(Verification)
  验证class文件是否合法,例如魔数检查，开头0xCAFEBABE；语义校验等。
• 准备(Preparation)
  给类中的静态变量分配内存,并赋值默认值 (如果是static final修饰的,就不会赋值默认值,直接赋值定义的值)
• 解析(Resolution)
  把类、接口、字段和方法的符号引用转为直接引用。 (例如:常量池中的字面量引用,将字面量的对象加载到内存后,就有真实的内存地址了,就可以引用真实的内容地址)

初始化(Initialization):
给类的静态变量赋予定义的值。就是执行<clinit>()方法 (如果有static修饰的类变量或者static静态代码块,jvm才会自动生成一个<clinit>()方法 父类的static块优先级高于子类；如果[静态变量没有显示赋值],或者[final修饰并且是常量]就不会生成<clinit>())

Class.forName("")和Class.getClassLoader().loadClass("")区别是？
Class.forName会Loading和Initialization。 Class.getClassLoader().loadClass只会Loading

类加载器的分类:

类加载器关系.png

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):

1. C/C++实现,用来加载java核心库:JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar
2. 只加载java、javax、sun等开头的类

扩展类加载器(Extension ClassLoader):

1. java实现,继承ClassLoader类
2. 负责加载JAVA_HOME/jre/lib/ext或java.ext.dirs路径类库

应用类加载器(Application ClassLoader):

1. java实现,继承ClassLoader类
2. 负责加载java.class.path路径类库
3. 它是应用中默认的类加载器

双亲委派机制:

双亲委派.png

避免了类的重复加载,防止核心类库被篡改。

子类加载器可以访问父类加载器的Class,反之不行； 只有类路径和类名一致并且类加载器一致,才能保证类唯一

运行时内存结构:

运行时数据区.png

java -XX:+PrintFlagsFinal -version:查看所有JVM的最终值 HotSpot VM参数文档

• 程序计数器:存储将要执行下一条指令的地址,防止CPU时间片切换后重复执行。它是线程私有的
• 栈:先进后出的特点,栈里面存放着一个个栈帧,一个栈帧对应一个java的方法。由于栈分配的内存比较小,所以它主要负责运行指令集,存放一些基本数据类型,通过引用进行创建/修改堆空间的数据。
  栈不存在GC，但存在OOM
-Xss1m:设置栈大小
  栈帧:对应一个java的方法
  1.局部变量表:定义为一个数组,用于存储方法参数和方法体内的局部变量；如果是非static修饰的方法,索引[0]下标保存的就是this;double和long占用两个slot,也就是索引下标占两个
  2.操作数栈:用于保存计算过程的中间结果以及计算过程中变量的临时存放

• 堆:负责对象的存储,所有的对象实例以及数组都应当在堆上。 可以处在物理上不连续的内存空间中；堆中Eden区会有一块TLAB区域,它是线程私有的
  堆存在GC，存在OOM
-Xms512m:设置堆空间起始大小(默认物理内存的1/64)
-Xmx512m:设置堆空间最大大小(默认物理内存的1/4)
  通常-Xms和-Xmx配置相同的值,避免清理完堆后不需要重新计算堆区大小。
  年轻代:它又分为Eden区和S0(from)、S1(to)区；存放一些生命周期比较短的对象,创建和消亡都非常迅速。
  -Xmn512m:设置年轻代大小
  老年代:生命周期非常长的对象
  -XX:NewRatio=2:设置新生代与老年代的占比
-XX:SurvivorRatio=8:设置Eden与S0、S1区占比
• 元空间(1.8):使用堆外直接内存,存放.Class类结构信息、方法信息、常量、JIT热点代码缓存
  -XX:MetaspaceSize=1024m:设置元空间初始大小
-XX:MaxMetaspaceSize=-1:设置元空间最大大小

为什么要分老年代年轻代?
年轻代对象特点是生命周期很短,老年代对象特点是生命周期很长,如果混到一起,每次触发GC,大对象寻找又很慢,对象又很多,每次都会浪费一部分不需要GC的对象寻找时间。GC会暂停用户线程,造成响应慢

对象分配过程:

对象分配过程.jpg

1.new对象会先放到年轻代的Eden区,如果Eden满了,放不下了，会触发YGC进行垃圾回收。通过可达性分析,找出还是引用的对象,放到to区,并且年龄=1,如果from区还有对象,也会找出还在引用的对象,放到to区,并且年龄+1；
2.当S区的存活对象反复计数,达到设定的年龄阈值(默认是15),就会将对象放到老年代中；或者对象太大,Eden区YGC后还是放不下,就会直接放到老年代；如果老年代也放不下,就会触发FGC,最后还是放不下,直接抛出OOM异常

-XX:MaxTenuringThreshold=15:设置对象S区到老年代的年龄阈值【最大就15,因为对象头中分代年龄就4bit，最大就1111,转换十进制就是15】

对象实例创建过程:

例如通过代码:Object obj = new Object();
对应的字节码指令:
0 new #2 <java/lang/Object>
3 dup
4 invokespecial #1 <java/lang/Object.<init> : ()V>
7 astore_1
8 return

对象实例创建过程.jpg

对象实例结构组成:

对象结构.png

MarkWord.png

HotSpot JVM默认使用混合模式(解释器+JIT及时编译器)
解释器:逐行解释字节码指令成为可执行的机器指令
JIT编译器:寻找热点代码,将对应的机器指令缓存到元空间中,减少重复的解释耗时,提升性能；
哪些代码才符合热点代码?
当调用某个方法的次数超过阈值
-XX:CompileThreshold=10000:设置JIT缓存方法调用次数阈值(-client模式默认1500次,-server模式默认10000次)

垃圾回收器(GC):

哪些对象需要回收？怎么判断这个对象是垃圾？
就是在运行中没有任何引用指向这个对象,没有人用这个对象,就应该被回收掉。

• 可达性分析:通过根Roots节点对象寻找引用的对象,避免了循环引用,内存泄漏。为了保证一致性,GC进行中会STW,暂停用户线程,防止产生新的Root和引用
  Roots节点对象有哪些?
  1.栈中引用的对象
  2.类的静态属性引用的对象
  3.元空间中常量引用的对象
  4.被同步锁synchronized持有的对象
  5.jvm内部的引用对象
  
  可达性分析.jpg

存活对象找到后,怎么回收垃圾对象呢?

• 标记-清除算法:通过可达性分析,将存活对象进行标记,再次全堆遍历未标记的垃圾对象记录到空闲内存地址列表中
缺点:效率低,遍历两次；内存空间不连续,碎片化
  

  标记-清理.png

• 复制算法:通过可达性分析,将存活对象按序直接复制到另一块内存空间,不会出现碎片化问题
缺点:需要两倍内存空间,引用地址的变动也要联动,对象不能太多,越多越耗时。年轻代S0和S1区就是用的复制算法
  

  复制算法.png

• 标记-整理算法:通过可达性分析进行标记,将所有存活的对象从内存的一端按顺序移动,之后清理另一端所有；避免了两倍内存的开销。通常老年代用的就是此算法,所以要尽可能减少FGC
缺点:效率低于复制算法
  

  标记-整理.png

对象的引用类型:

• 强引用(普通对象默认强引用):只要还被引用着,对象GC不回收,直到OOM
• 软引用(SoftReference):内存不足,发生OOM之前,会将软引用对象回收
• 弱引用(WeakReference):只要触发GC就会回收掉
• 虚引用:对象回收跟踪
• 终结器引用:用于实现对象的finalize();

内存溢出(OOM):分配一个超大对象,JVM判定GC后也不可能放下,就直接OOM或者GC回收后,还是没有可分配的内存放置创建的对象,也会出现内存溢出。
内存泄漏:这里的泄漏并不是说可达性分析没找到而导致的,而是本身应该视为垃圾,但在逻辑中引用着,无法释放

有哪些垃圾回收器?特点是什么?

GC分类.jpg

JDK8默认使用Parallel Scavenge GC和Parallel Old GC
JDK9默认使用G1 GC

• Serial GC:使用复制算法,串行回收,暂停所有用户线程。

• Serial Old GC:使用标记-整理算法,串行回收,暂停所有用户线程。
  适用场景:比如运行在客户端模式client,配置不算高,单个CPU还省去了线程交互的开销
  -XX:+UseSerialGC:设置年轻代老年代串行垃圾回收器

• ParNew GC:使用复制算法,并行回收,暂停所有用户线程。在多核配置下,大大提升了吞吐量。
  -XX:+UseParNewGC:设置年轻代并行垃圾回收器
  -XX:ParallelGCThreads:设置并行线程数量

• Paraller Scavenge GC:使用复制算法,并行回收,暂停所有用户线程。在多核配置下,大大提升了吞吐量。

• Paraller Old GC:使用标记-整理算法,并行回收,暂停所有用户线程。
  -XX:+UseParallerGC:设置年轻代并行垃圾回收器
  -XX:+UseParallerOldGC:设置老年代并行垃圾回收器
  -XX:GCTimeRatio:垃圾收集时间占总时间的比例 (1/(N+1)) ；默认99,垃圾回收的时间不超过1%。
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy:开启自适应调节,年轻代Eden/S0/S1比例自动调节,以及S区年龄阈值自动调节等。

• CMS GC:使用标记-清除算法,并发回收,与用户线程交替执行,主打低延迟。
  初始标记(STW):只标记与GC Roots直接关联的对象。会暂停用户线程
  并发标记:从GC Roots直接关联的对象寻找间接关联的对象
  重新标记(STW):修正并发标记阶段,用户线程并发执行,导致数据不一致性
  并发清理:清理未标记的对象；因为并发标记和并发清理阶段,所以无法清理浮动垃圾.
  -XX:+UseConcMarkSweepGC:设置老年代代并发垃圾回收器
  -XX:CMSInitiatingOccupanyFraction:设置堆内存使用率阈值,CMS并不是放不下了对象的时候才触发垃圾回收。
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection:CMS GC后,开启内存碎片整理,但是会STW。
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction:多少次FGC后,才对内存碎片进行整理。

• G1 GC:将堆空间分成若干个区域(Region),逻辑上区分年轻代和老年代。侧重点回收垃圾最大量的区域(Region),后台维护一个区域(Region)优先级列表；Region之间采用复制算法,对整堆进行位置整理。
  -XX:+UseG1GC:设置年轻代和老年代代垃圾回收器。
  -XX:G1HeapRegionSize:设置每个Region大小。2的幂
-XX:MaxGCPauseMillis:设置期望达到的最大GC停顿时间,但不能完全保证,默认200ms
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent:堆的使用率超过比例,触发GC,默认45
-XX:ConcGCThreads:并发标记的线程数

GC日志监控与分析:

-XX:+PrintGCDetails:打印GC回收时堆和元空间的详细信息
-XX:+PrintGCDateStamps:输出发生GC的时间
-Xloggc:/data/gc.log:把GC日志输出到指定文件中
-XX:+UseGCLogFileRotation:打开GC日志文件滚动覆盖
-XX:NumberOfGCLogFiles:设置滚动日志文件的个数
-XX:GCLogFileSize:设置滚动日志文件的大小
例如:

-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:/data/gc.log -XX:+UseGCLogFileRotation -XX:NumberOfGCLogFiles=10 -XX:GCLogFileSize=1m

jstat -gc <pid> 1000 20 (通过jdk自带命令工具每隔1秒打印一次gc情况,总共打印20次)

arthas在线分析 官网
java -jar arthas-boot.jar <pid>

arthas.png

还可以导出dump文件进行离线分析:

• 手动导出方式:
  jmap -dump:live,format=b,file=<name.hprof> <pid>
• 自动导出方式(出现OOM后):
  -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
-XX:HeapDumpPath=<name.hprof>

使用工具进行分析dump和展示图表:

public static void main(String[] args) {
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        while (true){
            Object obj = new Object();
            list.add(obj);
        }
    }

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

• jvisualvm(jdk自带的):

jvisualvm概要.png

jvisualvm类实例统计.png

• Eclipse Memory Analyzer

  
  
  eclipse疑似泄漏分析.png
  
  
  eclipse泄漏分析详情.png
  
  
  eclipse线程.png

如何合理的设置堆空间大小?

设置过大,就会堆积很多对象,GC时间就比较长；设置过小,就会频繁触发GC

获取老年代FGC后存活对象大小:打开GC日志,通过FGC后的空间大小,取多次的平均值作为参考值。
手动触发FGC:jmap -dump:live,format=b,file=<name.hprof> <pid>或者jmap -histo:live <pid>

CPU飙高如何排查?

1. 通过top命令根据cpu排序,看看哪个java进程占用较高
   或通过ps aux | grep java 查找跟java相关的进程
   最终得到进程ID(pid)

   
   
   top命令.png
   
   
   psaux.png

2. top -Hp <pid> :查看进程的飙高的线程id

   
   
   异常线程id.png
3. 将飙高的线程id十进制——>>十六进制
   2482 -> 0x9b2

4. jstack <进程的pid> | grep -A20 0x9b2

   
   
   jstack线程信息.png
   
   

   定位到可能存在问题的代码位置或者是垃圾回收线程占用的问题