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JVM体系大全

2020-04-22 10:26:17   0  举报

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AI智能生成

马老师JVM的VIP课程总结，更新中

JVM、JMM、内存模型、垃圾回收

作者其他创作

大纲/内容

1、虚拟机基础概念（来源：马士兵课程） java -version ：可以看到JVM的具体实现HotSpot，解释编译混合执行mixed mode（解释器 + 热点代码编译）                         -Xint   使用解释模式，启动很快，执行稍慢                         -Xcomp  使用纯编译模式，执行很快，启动很慢                        检测热点代码： -XX:CompileThreshold = 10000

2、class文件结构 是什么：二进制字节流

可以通过jdk自带的命令：javap -v  目标class文件的绝对路径，进行查看，或者通过IDEA插件：jclasslib Bytecode viewer

Magic Number

Minor Version

Major Version

constant_pool_count

constant_pool

1、CONSTANT_Utf8_info

tag：1  --占用空间一个字节

length：UTF-8字符串占用的字节数

bytes：长度为length的字符串

3、CONSTANT_Integer_info

tag：3

bytes：4个字节，Big-Endian（高位在前）存储的int值

4、CONSTANT_Float_info

tag：4

4个字节，Big-Endian的float值

5、CONSTANT_Long_info

tag：5

8个字节，Big-Endian的long值

6、CONSTANT_Double_info

tag：6

8个字节，Big-Endian的double值

7、CONSTANT_Class_info

tag：7

index：2字节，指向类的全限定名项的索引

8、CONSTANT_String_info

tag：8

2字节，指向字符串字面量的索引

9、CONSTANT_Fieldref_info

tag：9

index：2字节，指向声明字段的类或者接口描述符CONSTANT_Class_info的索引项

index：2字节，指向字段描述符CONSTANT_NameAndType的索引项

10、CONSTANT_Methodref_info

tag：10

index：2字节，指向声明方法的类或者接口描述符CONSTANT_Class_info的索引项

index：2字节，指向字段描述符CONSTANT_NameAndType的索引项

11、CONSTANT_InterfaceMethodref_info

tag：11

index：2字节，指向声明方法的类或者接口描述符CONSTANT_Class_info的索引项

index：2字节，指向字段描述符CONSTANT_NameAndType的索引项

12、CONSTANT_NameAndType_info

tag：12

index：2字节，指向该字段或方法名称常量项的索引

index：2字节，指向该字段或方法描述符常量项的索引

15、CONSTANT_MethodHandle_info

tag：15

refence_kind：1字节，1-9之间的一个值，决定了方法句柄的类型，方法句柄类型的值表示方法句柄的字节码行为

refence_index：2字节，对常量池的有效索引

16、CONSTANT_MethodType_info

tag：16

descriptor_index：2字节，指向Utf8_info结构表示的方法描述符

18、CONSTANT_invokeDynamic_info

tag：18

bootstrap_method_attr_index：2字节，当前Class文件中引导方法表的bootstrap_method[]数组的有效索引

name_and_type_index：2字节，指向NameAndType_info表示的方法名和方法描述符

access_flags

ACC_PUBLIC       0x0001 是否为public类型

ACC_FINAL       0x0010 是否为final

ACC_SUPER       0x0020 该标志必须为真，JDK1.0.2之后编译出来的内容必须为真，指明invokespectial指令使用新语义

ACC_INTERFACE       0x0200 是否接口

ACC_ABSTRACT       0x0400 接口或抽象类

ACC_SYNTHETIC       0x1000 编译器自动生成，非用户代码产生，http://www.jianshu.com/p/d571300810b3

ACC_ANNOTATION       0x2000

ACC_ENUM        0x4000

this_class

super_class

interfaces_count

interfaces

fields_count

fields

access_flags  2字节

ACC_PUBLIC -0x0001

ACC_PRIVATE - 0x0002

ACC_PROTECTED -0x0004

ACC_STATIC -0x0008

ACC_FINAL -0x0010

ACC_VOLATILE   -0x0040

ACC_TRANSIENT  -0x0080

ACC_FINAL -0x0010

ACC_ENUM   -0x4000

name_index  u2

descriptor_index u2

B   -   byte

C   -   char

D   -   double

F   -   float

I   -   int

J   -   long

S   -   short

Z   -   boolean

V   -   void

L   -   Object  例如：Lcom/botech/dispacher/Test

数组[

一维数组[B    [Ljava/lang/Stirng

多维数组[[C   [[[Ljava/lang/String

attributes_count

attributes

methods_count

methods

access_flags

ACC_PUBLIC     -0x0001

ACC_PRIVATE     - 0x0002

ACC_PROTECTED    -0x0004

ACC_STATIC    -0x0008

ACC_FINAL    -0x0010

ACC_SUNCHORNIZED    - 0x0020

ACC_BRIDGE   - 0x0040  编译器产生的桥接方法   https://blog.csdn.net/mhmyqn/article/details/47342577

ACC_VARARGS   -0x0080

ACC_NATIVE   - 0x0100

ACC_ABSTRACT   -0x0400

ACC_STRICTFP  -0x0800   https://zhidao.baidu.com/question/451207689.html

ACC_SYNTHETIC   -0x1000

name_index  u2

descriptor_index  u2

先参数列表（放在小括号内部），后返回值

void  m()   ->   ()v

String toString()    ->   ()Ljava/lang/String;

long pos(int[] arr1,int arr2,long length)   ->  ([iiJ)J

attributes_count

attributes

attributes_count - u2

attributes

既有预定义属性，也可以自定义，java虚拟机自动忽略不认识的属性

Code  -  方法表 - 该方法编译成的字节码指令

u2  attribute_name_index

u4   attribute_length

u2   max_stack

u2   max_locals

u4   code_length

code

u2   exception_table_length

exception_table

u2   attribute_count

attributes

ConstantVlue：字段表，final关键字定义的常量值

Deprecated：类、方法表、字段表

Exceptions：方法表

EnclosingMethod：类文件，局部类或匿名类的外部封装方法

InnerClasses：类文件，内部类列表

LineNumberTable：Code属性，java源码的行号与字节码指令的对应关系

LocalVariableTable：Code属性，方法局部变量表

SourceFile：类文件，源文件名

自我总结：class文件中除了上面这些固定位置信息后，其他的具体代码实际都对应着java虚拟机规范中的指令集，也就是java汇编码，例如：aload_0对应的十六进制是0x26，然后在class搜26就能找到具体方法中的对应。 这个感觉有点像将所有的信息都放入常量池中，然后根据不同的命令对常量池中的对象进行调用、操作等

https://mp.weixin.qq.com/s/Zfv9SjQeAtjnT4xVwTsa2g

java内存模型八大原子操作

lock：锁定

作用于主内存，标识变量为线程独占

unlock：解锁

作用于主内存，解锁线程独占变量

read：读取

作用于主内存，读取内容到工作内存

load：载入

作用于工作内存，read后的值放入线程本地变量副本

use：使用

作用于工作内存，传值给执行引擎

assign：赋值

作用于工作内存，执行引擎结果赋值给线程本地变量

store：存储

作用于工作内存，存储到主内存给write备用

write：写入

作用于主内存，写变量值

3、内存加载过程

Loading（加载）

双亲委派机制，主要是考虑安全性，从上到下进行类加载 自顶而下：进行实际查找和加载 child方向 自下而上：检查该类是否已经加载 partent方向

主要就是出于对安全的考虑

如何打破双亲委派机制？

1、JDK1.2之前，自定义ClassLoader都必须重写loadClass（）

2、ThreadContextClassLoader可以实现基础类调用实现类代码，通过thread.setContextClassLoader指定

3、热启动，热部署：osgi  tomcat都有自己的模板指定classloader（可以加载同一类库的不同版本）

1、Bootstrap加载器

加载路径：sun.boot.class.path

2、Extension加载器

加载路径：java.ext.dirs

3、App加载器

加载路径：java.class.path

4、CustomClassLoader加载器

实现方式

继承ClassLoader

重写模板方法findClass

重写的findClass中，返回defineClass（四个参数）

使用场景

1、Spring中对class会进行动态代理（新的class）

2、tomcat加载自己的jar包

3、热部署，针对改动的文件手动load

Linking

Verification（校验）

校验class文件符不符合标准，例如：是不是以cafe babe开头的

Preparation（准备）

给静态成员变量赋默认值

Resolution（解析）

将类、方法、属性等符号引用解析为直接引用 常量池中的各种符号引用解析为指针、偏移量等内存地址的直接引用

Initializing（初始化）

调用类初始化代码，给静态成员变量赋初始值

4、运行时内存结构

1、前置知识铺垫

计算机构成

2、数据一致性问题

1、缓存行cacheLine的存在，大多数为64字节

2、现代CPU的数据一致性 = 缓存锁（MESI缓存一致性协议） +  总线锁

3、位于同一缓存行的两个不同数据，被两个相同CPU锁定，产生互相影响的伪共享问题

3、乱序问题

1、问题现象：CPU中PC的指令会有多条，对于没有依赖关系的指令会发生乱系执行

2、合并写技术：WCBuffer，高于L1，容量非常小，4个字节（知识点比较偏），直接写到L2缓存

3、有序性保证

CPU级别内存屏障 IntelCPU

sfence：写操作前后串行

lfence：读操作前后串行

mfence：读写操作前后串行

汇编指令：lock

JVM级别内存屏障

LoadLoad：读操作前后串行

StoreStore：写操作前后串行

LoadStore：先读再写

StoreLoad：先写再读

JVM内存屏障不是仅依赖硬件级别的CPU屏障，也可以通过ock指令实现

具体实现：Volatile关键字

字节码层面：ACC_VOLATILE

JVM层面：通过内存屏障实现

OS及硬件层面：lock指令实现

synchronized实现细节

字节码层面：ACC_SYNCHRONIZED

JVM层面：monitorenter、monitorexit指令                  C C++调用了操作系统提供的同步机制

OS及硬件层面：X86 : lock cmpxchg / xxx

4、对象相关问题

1、创建过程

1、class loading

2、class linking（verification  preparation  resolution）

3、class initializing

4、申请对象内存

5、成员变量赋默认值

6、调用构造方法<init>

1、成员变量顺序赋初始值

2、执行构造方法语句

2、内存布局

1、对象头：MarkWord  8个字节

对象头空间分布

引出一个问题：为什么GC年龄默认为15？，因为4个字节代表最大值就是15

2、ClassPoint指针： -XX：UseCompressedClassPointers为4个字节，不开启为8个字节

2.1、此为数组专用，存储数组长度，4字节

3、实例数据（数组数据）：《-XX：UseCompressedOops为4字节，不开启为8个字节》针对引用类型                                               Ordinary  Object   Pointers

4、Padding对齐，8的倍数

5、运行时数据区（来源：图灵学院诸葛老师）

Heap（堆）：线程共享

Stack（栈）：线程独有

局部变量表

操作数栈

比较典型的问题就是：i=i++   其实i不变

动态链接

将符号引用解析为直接引用的过程

方法出口

Native Method Stacks（本地方法栈）：线程独有

Method Area（方法区）：线程共享

具体实现A：Perm Space 永久区 (<1.8)

一旦确定无法改变大小，可能出现溢出现象

具体实现B：Meta Space 元空间(>=1.8)

受限于物理内存，比上面更大更灵活

包含常量池

存储Class的信息、方法编译完的信息、字节码、类静态变量等

其中字符串常量在1.7是在这的，1.8之后在【堆】里了

Program Counter（程序技术器）：线程独有

5、JVM常用指令

命令行参考：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

指定垃圾回收器

-XX:+UseSerialGC = Serial New (DefNew) + Serial Old

-XX:+UseParNewGC = ParNew + SerialOld

-XX:+UseConc(urrent)MarkSweepGC = ParNew + CMS + Serial Old

-XX:+UseParallelGC = Parallel Scavenge + Parallel Old（1.8默认）

-XX:+UseG1GC = G1

设定日志参数

-Xloggc:/opt/xxx/logs/xxx-xxx-gc-%t.log -XX:+UseGCLogFileRotation -XX:NumberOfGCLogFiles=5 -XX:GCLogFileSize=20M -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintGCCause

或者每天产生一个日志文件

6、GC垃圾回收

概览图（来源：图灵学院诸葛老师）

何为垃圾：没有任何引用指向，如何找到？

引用计数法

不可能解决的问题：循环引用

根可达算法

根对象

线程栈变量

静态变量

常量池

JNI指针

GC的常用算法

Mark- Sweep（标记清除）

优势：算法性对简单，存活对象比较多的情况下效率较高

劣势：两遍扫描，效率偏低。内存空间不连续容易产生碎片

Coping（拷贝）

优势：适用于存活对象较少的情况，只扫描一次，效率提高没有碎片

劣势：空间浪费，移动赋值对象，需要调整对象引用

Mark - Compact（标记压缩）

优势：不会产生碎片，方便对象分配，不会产生内存减半

劣势：扫描两次，需要移动对象，效率偏低

分代年龄

年轻代（1/3）

MinorGC/YGC：年轻代空间耗尽触发

-Xmn  新生代大小

老年代（2/3）

MajorGC/FullGC：老年代空间耗尽触发

-Xms：初始堆大小 -Xmx：最大堆大小（放在这里有点不合适，知道就行吧）

两者比例可以通过： –XX:NewRatio 来指定

对象何时进入老年代？

参数：XX:MaxTenuringThreshold 指定次数，默认15

垃圾回收15次的进入老年代

动态年龄：s1入s2超过5成，把年龄最大的放入老年代

分配担保：YGC期间，survivor区空间不够了，空间担保直接进入老年代

提升效率的分配细节

栈上分配（无需调整）

线程私有小对象

无逃逸

支持标量替换

线程本地分配TLAB（无需调整）

占用eden，默认1%

多线程的时候不用竞争eden就可以申请空间，提高效率

小对象

VM options：-XX:-DoEscapeAnalysis -XX:-EliminateAllocations -XX:-UseTLAB                       去掉逃逸分析、去掉标量替换、去掉TLAB，效率会减半

对象分配过程图

常见的垃圾回收器

概览图：目前还不存在不stop-the-world的垃圾回收器，ZGC可以做到1-2ms以内

年轻代

Serial

单线程串行回收、safe point、stop-the-world

Parallel Scavenge（默认）

多线程并行回收、stop-the-world

同下比较：吞吐量优先

ParNew

多线程并行回收、stop-the-world

同上比较：响应时间优先

老年代

Serial Old

标记压缩算法

Parallel Old（默认）

整理、压缩算法

CMS   JDK1.4版本之后 （concurrent mark sweep）

开启了并发回收的先河

回收阶段

初始标记（STW）

只标记root

并发标记

一个GC过程，8成的时间都是浪费在这里

在程序运行的同时，进行标记

重新标记（STW）

由于上面的运行的同时进行标记，达不到全部标记，所以要重新标记

并发清理

在清理的过程中还会产生新的垃圾：浮动垃圾

个人理解：这个有点类似于迭代开发

CMS的弊端

内存碎片化

CMS不适用于大内存

碎片化会导致新生代对象无法进入老年代，会降级为Serial Old来进行标记压缩

浮动垃圾

同上，也会切换至Serial Old

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction92%  阈值可以调低，留出浮动垃圾的空间

垃圾回收器与内存大小的关系

Serial  几十M

PS  上百M—几个G

CMS  20G

G1  上百G

ZGC  4T-16T

7、调优相关

概念区分

内存泄漏  memory leak

内存溢出  out of memory

例子用到的命令

java -XX:+PrintCommandLineFlags HelloGC

java -Xmn10M -Xms40M -Xmx60M -XX:+PrintCommandLineFlags -XX:+PrintGC HelloGC PrintGCDetails PrintGCTimeStamps PrintGCCauses

java -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+PrintCommandLineFlags HelloGC

java -XX:+PrintFlagsInitial 默认参数值

java -XX:+PrintFlagsFinal 最终参数值

java -XX:+PrintFlagsFinal | grep xxx 找到对应的参数

java -XX:+PrintFlagsFinal -version |grep GC：查询GC相关的命令

GC日志详解

调优前的基础概念

吞吐量：用户代码时间 /（用户代码执行时间 + 垃圾回收时间）

响应时间：STW越短，响应时间越好

所谓调优，首先确定，追求啥？吞吐量优先，还是响应时间优先？还是在满足一定的响应时间的情况下，要求达到多大的吞吐量...

什么是调优？

1、根据需求进行JVM规划和预调优

2、优化JVM运行环境（慢、卡顿）

3、解决JVM运行过程中出现的各种问题（OOM）

系统CPU经常100%，如何调优？

分析：一定有线程在占用系统资源（jps查看java进程、jinfo  进程ID）

找出那个进程CPU高（top）

查看对象数量：jmap -histo 进程ID | head -20、 jmap -dump:format=b,file=xxx pid（线上系统，内存特别大，jmap执行期间会对进程产生很大影响，甚至卡顿（电商不适合））

在项目启动的时候加入参数：-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

很多服务器备份（高可用），停掉这台服务器对其他服务器不影响

在线定位：Arthas

该进程哪个线程CPU高（top-Hp 进程ID）

导出该线程的堆栈（jstack -l 线程ID转换成16进制、jstack 进程ID查看下面所有线程的状态）

查找哪个方法（栈帧）消耗时间（jstack）

系统内存飙高，如何查找问题？

导出堆内存（jmap）

分析（jhat  jvisualvm  mat  jprofiler）

如何监控：jstat jvisualvm jprofiler arthas top...

工具

jconsole

jvisualvm（JDK自带）

jprofiler（收费）

arthas

jvm（jinfo）

查看详细情况

thread（jstack）

查看有多少个线程

dashboard（top）

观察系统情况

heapdump（jmap -dump）

导出堆文件

jhat 文件名.hprof（JDK自带）、MAT、jvisualvm

对堆文件进行分析

jad 类的路径（反编译）

动态代理生成类的问题定位

第三方的类（观察代码）

版本问题（确定自己最新提交的版本是不是被使用）

redefine（热替换）

目前有些限制条件：只能改方法实现（方法已经运行完成），不能改方法名，不能改属性

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颜老四

职业：本科

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