還沒搞懂JVM？一篇文章帶你深入淺出JVM！

本文跟大家聊聊JVM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從組件中的多線程處理，JVM系統(tǒng)線程，局部變量數(shù)組等方面進(jìn)行解析

JVM

JVM = 類加載器(classloader) + 執(zhí)行引擎(execution engine) + 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域(runtime data area)

下面這幅圖展示了一個典型的JVM（符合JVM Specification Java SE 7 Edition）所具備的關(guān)鍵內(nèi)部組件。

組件中的多線程處理

多線程處理”或“自由線程處理”指的是一個程序同時(shí)執(zhí)行多個操作線程的能力。 作為多線程應(yīng)用程序的一個示例，某個程序在一個線程上接收用戶輸入，在另一個線程上執(zhí)行多種復(fù)雜的計(jì)算，并在第三個線程上更新數(shù)據(jù)庫。 在單線程應(yīng)用程序中，用戶可能會花費(fèi)時(shí)間等待計(jì)算或數(shù)據(jù)庫更新完成。 而在多線程應(yīng)用程序中，這些進(jìn)程可以在后臺進(jìn)行，因此不會浪費(fèi)用戶時(shí)間。 多線程處理可以是組件編程中的一個非常強(qiáng)大的工具。通過編寫多線程組件，您可以創(chuàng)建在后臺執(zhí)行復(fù)雜計(jì)算的組件，它們允許用戶界面 (UI) 在計(jì)算的過程中自由地響應(yīng)用戶輸入。 雖然多線程處理是一個強(qiáng)大的工具，但是要將其正確應(yīng)用卻比較困難。 未能正確實(shí)現(xiàn)的多線程代碼可能降低應(yīng)用程序性能，或甚至導(dǎo)致應(yīng)用程序凍結(jié)。 下列主題將向您介紹多線程編程的一些注意事項(xiàng)和最佳做法。.NET Framework 提供幾個在組件中進(jìn)行多線程處理的選項(xiàng)。 System.Threading 命名空間中的功能是一個選項(xiàng)。 基于事件的異步模式是另一個選項(xiàng)。 BackgroundWorker 組件是對異步模式的實(shí)現(xiàn)；它提供封裝在組件中以便于使用的高級功能。

JVM內(nèi)存管理機(jī)制

（1）內(nèi)存區(qū)域與內(nèi)存溢出異常

（2）垃圾收集器與內(nèi)存分配策略

（3）虛擬機(jī)性能監(jiān)控與故障處理工具

JVM調(diào)優(yōu)

1.JVM執(zhí)行子系統(tǒng)

（1）類文件結(jié)構(gòu)

（2）類加載機(jī)制

（3）字節(jié)碼執(zhí)行引擎

2.程序編譯與代碼優(yōu)化

（1）編譯期優(yōu)化

（2）運(yùn)行期優(yōu)化

3.實(shí)戰(zhàn)調(diào)優(yōu)案例與解決方法

JVM系統(tǒng)線程

如果你用jconsole或者任何其他的debug工具查看，可能會看到有許多線程在后臺運(yùn)行。這些運(yùn)行著的后臺線程不包含主線程，主線程是基于執(zhí)行publicstatic void main(String[]) 的需要而被創(chuàng)建的。而這些后臺線程都是被主線程所創(chuàng)建。在HotspotJVM中主要的后臺系統(tǒng)線程，見下表：

單個線程

每個線程的一次執(zhí)行都包含如下的組件

程序計(jì)數(shù)器（PC）

除非當(dāng)前指令或者操作碼是原生的，否則當(dāng)前指令或操作碼的地址都需要依賴于PC來尋址。如果當(dāng)前方法是原生的，那么該P(yáng)C即為undefined。所有的CPU都有一個PC，通常PC在每個指令執(zhí)行后被增加以指向即將執(zhí)行的下一條指令的地址。JVM使用PC來跟蹤正在執(zhí)行的指令的位置。事實(shí)上，PC被用來指向methodarea的一個內(nèi)存地址。

原生棧

不是所有的JVM都支持原生方法，但那些支持該特性的JVM通常會對每個線程創(chuàng)建一個原生方法棧。如果對JVM的JNI（JavaNative Invocation）采用c鏈接模型的實(shí)現(xiàn)，那么原生棧也將是一個C實(shí)現(xiàn)的棧。在這個例子中，原生棧中參數(shù)的順序 、返回值都將跟通常的C程序相同。一個原生方法通常會對JVM產(chǎn)生一個回調(diào)（這依賴于JVM的實(shí)現(xiàn)）并執(zhí)行一個Java方法。這樣一個原生到Java的調(diào)用發(fā)生在棧上（通常在Java棧），與此同時(shí)線程也將離開原生棧，通常在Java棧上創(chuàng)建一個新的frame。

棧

每個線程都有屬于它自己的棧，用于存儲在線程上執(zhí)行的每個方法的frame。棧是一個后進(jìn)先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這可以使得當(dāng)前正在執(zhí)行的方法位于棧的頂部。對于每個方法的執(zhí)行，都會有一個新的frame被創(chuàng)建并被入棧到棧的頂部。當(dāng)方法正常的返回或在方法執(zhí)行的過程中遇到未捕獲的異常時(shí)frame會被出棧。棧不會被直接進(jìn)行操作，除了push/ pop frame 對象。因此可以看出，frame對象可能會被分配在堆上，并且內(nèi)存也沒必要是連續(xù)的地址空間（請注意區(qū)分frame的指針跟frame對象）。

棧的限制

一個?？梢允莿討B(tài)的或者是有合適大小的。如果一個線程要求更大的棧，那么將拋出StackOverflowError異常；如果一個線程要求新創(chuàng)建一個frame，又沒有足夠的內(nèi)存空間來分配，將會拋出OutOfMemoryError異常。

Frame

對于每一個方法的執(zhí)行，一個新frame會被創(chuàng)建并被入棧到棧頂。當(dāng)方法正常返回或在方法執(zhí)行的過程中遇到未捕獲的異常，frame會被出棧。

局部變量數(shù)組

局部變量數(shù)組包含了在方法執(zhí)行期間所用到的所有的變量。包含一個對this的引用，所有的方法參數(shù)，以及其他局部定義的變量。對于類方法（比如靜態(tài)方法），方法參數(shù)的存儲索引從0開始；而對于實(shí)例方法，索引為0的槽都為存儲this指針而保留。

操作數(shù)棧

操作數(shù)棧在字節(jié)碼指令被執(zhí)行的過程中使用。它跟原生CPU使用的通用目的的寄存器類似。大部分的字節(jié)碼都把時(shí)間花費(fèi)在跟操作數(shù)棧打交道上，通過入棧、出棧、復(fù)制、交換或者執(zhí)行那些生產(chǎn)/消費(fèi)值的操作。對字節(jié)碼而言，那些在局部變量數(shù)組和操作數(shù)棧之間移動值的指令是非常頻繁的。

動態(tài)鏈接

每個frame都包含一個對運(yùn)行時(shí)常量池的引用。該引用指向?qū)⒁粓?zhí)行的方法所屬的類的常量池。該引用也用于輔助動態(tài)鏈接。

當(dāng)一個Java類被編譯時(shí)，所有對存儲在類的常量池中的變量以及方法的引用都被當(dāng)做符號引用。一個符號引用僅僅只是一個邏輯引用而不是最終指向物理內(nèi)存地址的引用。JVM的實(shí)現(xiàn)可以選擇解析符號引用的時(shí)機(jī)，該時(shí)機(jī)可以發(fā)生在當(dāng)類文件被驗(yàn)證后、被加載后，這稱之eager或靜態(tài)分析；不同的是它也可以發(fā)生在當(dāng)符號引用被首次使用的時(shí)候，稱之為lazy或延遲分析。但JVM必須保證：解析發(fā)生在每個引用被首次使用前，同時(shí)在該時(shí)間點(diǎn)，如果遇到分析錯誤能夠拋出異常。綁定是一個處理過程，它將被符號引用標(biāo)識的字段、方法或類替換為一個直接引用。這個處理過程只發(fā)生一次，因?yàn)榉栆眯枰煌耆鎿Q。如果一個符號引用關(guān)聯(lián)著一個類，而該類還沒有被解析，那么該類也會被立即加載。每個直接引用都被以偏移的方式存儲，該存儲結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)著變量或方法的運(yùn)行時(shí)位置。

線程之間共享

堆

• 堆中某個節(jié)點(diǎn)的值總是不大于或不小于其父節(jié)點(diǎn)的值；
• 堆總是一棵完全二叉樹。

將根節(jié)點(diǎn)最大的堆叫做最大堆或大根堆，根節(jié)點(diǎn)最小的堆叫做最小堆或小根堆。常見的堆有二叉堆、斐波那契堆等。

堆的定義如下：n個元素的序列{k1,k2,ki,…,kn}當(dāng)且僅當(dāng)滿足下關(guān)系時(shí)，稱之為堆。

(ki <= k2i,ki <= k2i+1)或者(ki >= k2i,ki >= k2i+1), (i = 1,2,3,4...n/2)

若將和此次序列對應(yīng)的一維數(shù)組（即以一維數(shù)組作此序列的存儲結(jié)構(gòu)）看成是一個完全二叉樹，則堆的含義表明，完全二叉樹中所有非終端結(jié)點(diǎn)的值均不大于（或不小于）其左、右孩子結(jié)點(diǎn)的值。由此，若序列{k1,k2,…,kn}是堆，則堆頂元素（或完全二叉樹的根）必為序列中n個元素的最小值（或最大值）

非堆式內(nèi)存

有些對象并不會創(chuàng)建在堆中，這些對象在邏輯上被認(rèn)為是JVM機(jī)制的一部分。

非堆式的內(nèi)存包括：

• 永久代中包含：
• 方法區(qū)
• 內(nèi)部字符串
• 代碼緩存：用于編譯以及存儲方法，這些方法已經(jīng)被JIT編譯成本地代碼

內(nèi)存管理

對象和數(shù)組永遠(yuǎn)都不會被顯式釋放，因此只能依靠垃圾回收器來自動地回收它們。

通常，以如下的步驟進(jìn)行：

1. 新對象和數(shù)組被創(chuàng)建在年輕代
2. 次垃圾回收器將在年輕代上執(zhí)行。那些仍然存活著的對象，將被從eden區(qū)移動到survivor區(qū)
3. 主垃圾回收器將會把對象在代與代之間進(jìn)行移動，主垃圾回收器通常會導(dǎo)致應(yīng)用程序的線程暫停。那些仍然存活著的對象將被從年輕代移動到老年代
4. 永久代會在每次老年代被回收的時(shí)候同時(shí)進(jìn)行，它們在兩者中其一滿了之后都會被回收

JIT編譯

JIT具體的做法是這樣的:當(dāng)載入一個類型時(shí),CLR為該類型創(chuàng)建一個內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的函數(shù),當(dāng)函數(shù)第一被調(diào)用時(shí),JIT將該函數(shù)編譯成機(jī)器語言.當(dāng)再次遇到該函數(shù)時(shí)則直接從cache中執(zhí)行已編譯好的機(jī)器語言.

方法區(qū)

所有的線程共享相同的方法區(qū)。所以，對于方法區(qū)數(shù)據(jù)的訪問以及對動態(tài)鏈接的處理必須是線程安全的。如果兩個線程企圖訪問一個還沒有被載入的類（該類必須只能被加載一次）的字段或者方法，直到該類被加載完成，這兩個線程才能繼續(xù)執(zhí)行。

類的文件結(jié)構(gòu)

一個被編譯過的類文件包含如下的結(jié)構(gòu)：

ClassFile
 { u4magic; u2minor_version; u2major_version; u2constant_pool_count; 
cp_infocontant_pool[constant_pool_count – 1]; u2access_flags; 
u2this_class; u2super_class; u2interfaces_count; 
u2interfaces[interfaces_count]; u2fields_count; 
field_infofields[fields_count]; u2methods_count; 
method_infomethods[methods_count]; u2attributes_count; 
attribute_infoattributes[attributes_count];}

可以使用javap命令查看被編譯后的java類的字節(jié)碼。

下面列出了在該類文件中，使用到的操作碼：

就像在其他通用的字節(jié)碼中那樣，以上這些操作碼主要用于跟本地變量、操作數(shù)棧以及運(yùn)行時(shí)常量池打交道。

構(gòu)造器有兩個指令，第一個將“this”壓入到操作數(shù)棧，接下來該構(gòu)造器的父構(gòu)造器被執(zhí)行，這一操作將導(dǎo)致this被“消費(fèi)”，因此this將從操作數(shù)棧出棧。

而對于sayHello()方法，它的執(zhí)行將更為復(fù)雜。因?yàn)樗坏貌煌ㄟ^運(yùn)行時(shí)常量池，解析符號引用到真實(shí)的引用。第一個操作數(shù)getstatic，用來入棧一個指向System類的靜態(tài)字段out的引用到操作數(shù)棧。接下來的操作數(shù)ldc，入棧一個字符串字面量“Hello”到操作數(shù)棧。最后，invokevirtual操作數(shù)，執(zhí)行System.out的println方法，這將使得“Hello”作為一個參數(shù)從操作數(shù)棧出棧，并為當(dāng)前線程創(chuàng)建一個新的frame。

類加載器

JVM的啟動是通過bootstrap類加載器來加載一個用于初始化的類。在publicstatic void main(String[])被執(zhí)行前，該類會被鏈接以及實(shí)例化。main方法的執(zhí)行，將順序經(jīng)歷加載，鏈接，以及對額外必要的類跟接口的初始化。

加載: 加載是這樣一個過程：查找表示該類或接口類型的類文件，并把它讀到一個字節(jié)數(shù)組中。接著，這些字節(jié)會被解析以確認(rèn)它們是否表示一個Class對象以及是否有正確的主、次版本號。任何被當(dāng)做直接superclass的類或接口也一同被加載。一旦這些工作完成，一個類或接口對象將會從二進(jìn)制表示中創(chuàng)建。

鏈接: 鏈接包含了對該類或接口的驗(yàn)證，準(zhǔn)備類型以及該類的直接父類跟父接口。簡而言之，鏈接包含三個步驟：驗(yàn)證、準(zhǔn)備以及解析（optional）

驗(yàn)證:該階段會確認(rèn)類以及接口的表示形式在結(jié)構(gòu)上的正確性，同時(shí)滿足Java編程語言以及JVM語義上的要求。

在驗(yàn)證階段執(zhí)行這些檢查意味著在運(yùn)行時(shí)可以免去在鏈接階段進(jìn)行這些動作，雖然拖慢了類的加載速度，然而它避免了在執(zhí)行字節(jié)碼的時(shí)候執(zhí)行這些檢查。

準(zhǔn)備:包含了對靜態(tài)存儲的內(nèi)存分配以及JVM所使用的任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（比如方法表）。靜態(tài)字段都被創(chuàng)建以及實(shí)例化為它們的默認(rèn)值。然而，沒有任何實(shí)例化器或代碼在這個階段被執(zhí)行，因?yàn)檫@些任務(wù)將會發(fā)生在實(shí)例化階段。

解析:是一個可選的階段。該階段通過加載引用的類或接口來檢查符號引用是否正確。如果在這個點(diǎn)這些檢查沒發(fā)生，那么對符號引用的解析會被推遲到直到它們被字節(jié)碼指令使用之前。

實(shí)例化 類或接口，包含執(zhí)行類或接口的實(shí)例化方法：<clinit>

在JVM中存在多個不同職責(zé)的類加載器。每一個類加載器都代理其已被加載的父加載器（除了bootstrap類加載器，因?yàn)樗歉虞d器）。

Bootstrap類加載器：當(dāng)java程序運(yùn)行時(shí)，java虛擬機(jī)需要裝載java類，這個過程需要一個類裝載器來完成。而類裝載器本身也是一個java類，這就出現(xiàn)了類似人類的第一位母親是如何產(chǎn)生出來的問題。

其實(shí)，java虛擬機(jī)中內(nèi)嵌了一個稱為Bootstrap的類裝載器，它是用特定于操作系統(tǒng)的本地代碼實(shí)現(xiàn)的，屬于java虛擬機(jī)的內(nèi)核，這個Bootstrap類裝載器不用專門的類裝載器去裝載。Bootstrap類裝載器負(fù)責(zé)加載java核心包中的類。

Extension 類加載器：從標(biāo)準(zhǔn)的Java擴(kuò)展API中加載類。例如，安全的擴(kuò)展功能集。

System 類加載器：這是應(yīng)用程序默認(rèn)的類加載器。它從classpath中加載應(yīng)用程序類。

用戶定義的類加載器：可以額外得定義類加載器來加載應(yīng)用程序類。用戶定義的類加載器可用于一些特殊的場景，比如：在運(yùn)行時(shí)重新加載類或?qū)⒁恍┨厥獾念惛綦x為多個不同的分組（通常web服務(wù)器中都會有這樣的需求，比如Tomcat）。

更快的類加載

一個稱之為類數(shù)據(jù)共享（CDS）的特性自HotspotJVM 5.0開始被引進(jìn)。在安裝JVM期間，安裝器加載一系列的Java核心類（如rt.jar）到一個經(jīng)過映射過的內(nèi)存區(qū)進(jìn)行共享存檔。CDS減少了加載這些類的時(shí)間從而提升了JVM的啟動速度，同時(shí)允許這些類在不同的JVM實(shí)例之間共享。這大大減少了內(nèi)存碎片。

方法區(qū)的位置

JVM Specification Java SE 7 Edition清楚地聲明：盡管方法區(qū)是堆的一個邏輯組成部分，但最簡單的實(shí)現(xiàn)可能是既不對它進(jìn)行垃圾回收也不壓縮它。然而矛盾的是利用jconsole查看Oracle的JVM的方法區(qū)（以及CodeCache）是非堆形式的。OpenJDK代碼顯示CodeCache相對ObjectHeap而言是VM中一個獨(dú)立的域。

類加載器引用

類通常是按需加載，即第一次使用該類時(shí)才加載。由于有了類加載器，Java運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)不需要知道文件與文件系統(tǒng)。

運(yùn)行時(shí)常量池

JVM對每個類型維護(hù)著一個常量池，它是一個跟符號表相似的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但它包含了更多的數(shù)據(jù)。Java的字節(jié)碼需要一些數(shù)據(jù)，通常這些數(shù)據(jù)會因?yàn)樘蠖y以直接存儲在字節(jié)碼中。取而代之的一種做法是將其存儲在常量池中，字節(jié)碼包含一個對常量池的引用。運(yùn)行時(shí)常量池主要用來進(jìn)行動態(tài)鏈接。

幾種類型的數(shù)據(jù)會存儲在常量池中，它們是：

• 數(shù)值字面量
• 字符串字面量
• 類的引用
• 字段的引用
• 方法的引用

如果你編譯下面的這個簡單的類：

package org.jvminternals;public class SimpleClass { public void sayHello() {System.out.println("Hello");}}

生成的類文件的常量池，看起來會像下圖所示：

Constant
 pool: #1 = Methodref #6.#17 // java/lang/Object."<init>":()V#2 = 
Fieldref #18.#19 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;#3 = 
String #20 // "Hello"#4 = Methodref #21.#22 // 
java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V#5 = Class #23 // 
org/jvminternals/SimpleClass#6 = Class #24 // java/lang/Object#7 = Utf8 
<init> #8 = Utf8 ()V #9 = Utf8 Code #10 = Utf8 LineNumberTable #11
 = Utf8 LocalVariableTable #12 = Utf8 this #13 = Utf8 
Lorg/jvminternals/SimpleClass; #14 = Utf8 sayHello #15 = Utf8 SourceFile
 #16 = Utf8 SimpleClass.java #17 = NameAndType #7:#8 // 
"<init>":()V#18 = Class #25 // java/lang/System#19 = NameAndType 
#26:#27 // out:Ljava/io/PrintStream;#20 = Utf8 Hello #21 = Class #28 // 
java/io/PrintStream#22 = NameAndType #29:#30 // 
println:(Ljava/lang/String;)V#23 = Utf8 org/jvminternals/SimpleClass #24
 = Utf8 java/lang/Object#25 = Utf8 java/lang/System #26 = Utf8 out#27 = 
Utf8 Ljava/io/PrintStream; #28 = Utf8 java/io/PrintStream #29 = Utf8 
println #30 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V

常量池中包含了下面的這些類型：

異常表

異常表存儲了每個異常處理器的信息：

• 起始點(diǎn)
• 終止點(diǎn)
• 處理代碼的PC偏移量
• 被捕獲的異常類的常量池索引

如果一個方法定義了try-catch或try-finally異常處理器，那么一個異常表將會被創(chuàng)建。它包含了每個異常處理器的信息或者finally塊以及正在被處理的異常類型跟處理器代碼的位置。

當(dāng)一個異常被拋出，JVM會為當(dāng)前方法尋找一個匹配的處理器。如果沒有找到，那么該方法最終會唐突地出棧當(dāng)前stackframe而異常會被重新拋出到調(diào)用鏈（新的frame）。如果在所有的frame都出棧之前還是沒有找到異常處理器，那么當(dāng)前線程將會被終止。當(dāng)然這也可能會導(dǎo)致JVM被終止，如果異常被拋出到最后一個非后臺線程的話，比如該線程就是主線程。

最終異常處理器會匹配所有的異常類型并且無論什么時(shí)候該類型的異常被拋出總是會得到執(zhí)行。在沒有異常拋出的例子中，finally塊仍然會在方法的最后被執(zhí)行。一旦return語句被執(zhí)行就會立即跳轉(zhuǎn)到finally代碼塊繼續(xù)執(zhí)行。

字符比較

字符比較（character comparison）是指按照字典次序?qū)蝹€字符或字符串進(jìn)行比較大小的操作，一般都是以ASCII碼值的大小作為字符比較的標(biāo)準(zhǔn)。

符號表

符號表在編譯程序工作的過程中需要不斷收集、記錄和使用源程序中一些語法符號的類型和特征等相關(guān)信息。這些信息一般以表格形式存儲于系統(tǒng)中。如常數(shù)表、變量名表、數(shù)組名表、過程名表、標(biāo)號表等等，統(tǒng)稱為符號表。對于符號表組織、構(gòu)造和管理方法的好壞會直接影響編譯系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

在JVM中，內(nèi)部字符串被存儲在字符串表中。字符串表是一個hashtable映射對象指針到符號（比如：Hashtable<oop,Symbol>），它被存儲在永久代里。

當(dāng)類被加載時(shí)，字符串字面量會被編譯器自動“內(nèi)部化”并且被加入到字符表。另外字符串類的實(shí)例可以通過調(diào)用String.intern()來明確地內(nèi)部化。當(dāng)String.intern()被調(diào)用，如果符號表里已經(jīng)包含該字符串，那么指向該字符串的引用將被返回。如果該字符串沒有包含在字符表，則會被加入到字符串表同時(shí)返回其引用