JVM内存结构
JVM的内存结构主要包括两大部分：一是线程之间共享的方法区(永久代)和堆，二是线程私有的虚拟机栈、本地方法栈以及程序计数器。
- 方法区：存储被JVM加载的类信息、常量、静态变量以及编译后的代码，它还包括一个运行时的常量池，保存了Class文件中的类版本、接口、方法、字段等符号引用信息。另外也存储了声明为final的常量、基本数据类型值、字符串等，如程序中定义的String变量的值会存储在常量池中进行复用。
- 堆：堆是JVM中最大的一块内存，存放了Java程序运行时几乎所有的对象实例和数组。堆也是垃圾收集器管理的主要区域（故也被称为：GC堆）。按照垃圾分代收集器的设计，堆可以划分为：新生代（Eden、S0、S1）和老年代（Tentired）。关于垃圾回收的过程，我们在下面的“JVM垃圾回收”的章节再展开来说。
- 虚拟机栈：是存放线程执行时的局部变量等信息，与线程的生命周期相同。虚拟机栈由多个栈帧组成，线程中的每个Java方法被调用时，便会创建一个栈帧（存放局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息），方法执行完后出栈。所有栈帧都出栈后，线程也就完成了使命。
- 本地方法栈：类似于虚拟机栈，只不过是线程调用本地方法Native时，发挥存储的作用。
- 程序计数器：空间很小，主要记录线程当前执行的字节码的行号，可以保证进行线程上下文切换后，恢复线程运行的现场。
JDK1.8前后，JVM内存区域的划分有了一些变化，如下图：
从上图中可以看到。JDK1.8的最大变化是使用元空间替掉了方法区（永久代），并且元空间不在JVM中，而是被划到了直接内存中。这样做使方法区不再受制于JVM限制的固定内存大小，避免方法区容易OOM的问题。另外，原先方法区的运行时常量池也被移到堆空间中。
JVM启动加载
1. JVM的启动
- 配置JVM装载环境。主要进行JVM.dll文件的查找和装载。
- 解析虚拟机参数。解析JavaVMOption，以便按照预设的参数启动JVM。
- 设置线程栈大小。解析ThreadStackSize。
- 执行Java main方法。通过ContinueInNewThread方法创建新线程，并执行JavaMain函数。
2. 对象的创建过程
- 类加载检查。遇到一条new指令，先根据指令参数到常量池中定位这个类的符号引用，若其未被加载、解析、初始化过，则执行类加载过程。
- 分配内存。在Java堆中为新生对象分配内存空间。内存分配方式：指针碰撞（内存无碎片）；空闲列表（内存不规整）
- 初始化零值。将对象内存空间中对象体的位置初始化为零值。
- 设置对象头。设置对象头信息，包括类的元信息Klassword、标记字Markword（对象的hash值、GC分代年龄、锁状态等信息）。
- 执行init方法。虚拟机层面的创建完成后，再按照编程人员的意愿完成初始化，为对象的成员赋值。
3. 类的加载过程
- 加载。获取类定义的二进制字节流；转换成方法区的运行时数据结构；在内存中生成Class对象，作为方法区的访问入口。
- 验证。文件格式、元数据、字节码、符号引用的验证。
- 准备。正式为类变量分配内存并设置类变量初始值。
- 解析。虚拟机将常量池内的符号引用（目标的描述）替换为直接引用（指向目标的指针或句柄）。
- 初始化。执行类的构造方法，为对象的成员赋值。
-- 类加载器。JVM内置了三个类加载器，分别是BootstrapClassLoader(启动类加载器)、ExtensionClassLoader(扩展类加载器) 、AppClassLoader(应用程序类加载器) 。
BootstrapClassLoader负责加载JAVA_HOME目录下的lib中的jar包和相关类；ExtensionClassLoader负责加载JAVA_HOME目录下lib/ext中的扩展jar包；而AppClassLoader是面向用户的加载器，主要加载当前classpath下的所有jar包和类。根据需要，用户也可以通过继承classload类来自定义类加载器。
-- 双亲委派机制。类在加载前会判断是否曾被加载过，若加载过直接返回，否则才进行加载。加载时，会把加载的请求委派给当前类的父类，然后逐级向上委派，直至将请求委派到启动类加载器BootstrapClassLoader。只有当父类加载器无法加载时，才会自己进行加载。
JVM垃圾回收
1. 何为垃圾？（如何判断对象/常量/类已经失效/废弃？）
判断对象失效一般有两种办法：
- 引用计数法。采用引用计数器，即每当对象被引用，计数器加1；引用失效，计数器减1。计数器为0的对象即视为不再使用，可以被回收。该方法实现简单效率高，但若是对象间相互引用（对象a的引用指向对象b，同时对象b的引用指向对象a）时，该方法会失效。
- 可达性分析法。以一系列“GC Roots”对象（包括：虚拟机栈中引用的对象；方法区中静态属性引用的对象；方法区中常量引用的对象；本地方法栈中(Native方法)引用的对象）作为根节点，向下搜索引用路径，可以被搜索到处在引用链中的对象为有效对象，不再相连的对象即视为已失效。
判断常量废弃的依据：常量池中的常量不再被任务对象引用。
判断类废弃的依据：类的所有实例均已回收；类不再被任何地方，包括反射方式进行引用；类的加载器已被回收。
失效的对象不是“非死不可”：因为对象的回收并不是一次性完成的，被标记失效的对象会被至于待回收队列F-Queue中，然后判断对象在执行重写的finalize()方法中是否重新建立了与其他对象的引用，是则将该对象移出F-Queue队列；否则才会被二次标记，然后回收。
2. 垃圾收集算法
标记-清除算法。标记所有可回收对象，直接进行空间清理回收。算法的缺点效率较低下，且容易产生大量不连续的内存碎片。这会导致JVM在分配较大内存块给大对象时，无法获得连续的内存空间。
复制算法。将可用内存分成两等分，每次使用其中一块。当前块内存用完后，会将其中仍存活的对象复制到另一块空闲的内存块中，然后把当前内存块全部清理掉。此时进行指针交换，即当前块成为空闲内存块，而获得存活对象的内存块成为当前块。该算法的使效率明显提升，但同时也降低了内存的使用率，因为每次只能使用可用内存中的一半。对象存活率高时，复制成本将很大。
标记-整理算法。该方法是标记清除算法的一种改良，在将可回收对象标记后，不再选择直接清理空间，而是将各个存活对象向一端移动，最后清理掉边界以外的空间。该方法适用于对象存活率较高的老年代中。
分代收集算法。分代收集算法并不是一种新的收集算法思路，而是根据内存块中对象存活周期的不同场景将内存分成不同的区域，然后不同区域分别用不同的更适用的收集算法。如新生代中对象“朝生夕死”，存活率低，采用复制算法，复制成本低，清理效率高；而老年代中对象的存活率较高，适用标记-清除或标记-整理算法。
-- 补充：分代收集算法的过程是这样的：首先按分代收集算法的思路，堆内存被划分为新生代（eden、S0、S1）和老年代（Tentired）两部分的。一般情况下，新对象会被分配到新生代的eden中（超大的对象会直接分配到老年代），当eden的空间不足时，新生代会发生GC，即采用复制算法进行垃圾回收，这个过程被称为Minor GC（也被成为Young GC）。eden和S0中存活的对象会被复制到S1区域，然后清空eden和S0，再将S0和S1进行交换，使S0成为下一次新生代GC接受存活对象的容器S1。存活下来的对象年龄将+1，当年龄达到15岁时（Markword中用了4位记录对象年龄），对象会晋升到老年代。当S1的空间被填满后，会将所有对象转移到老年代。之所以使用两个Survivor区域（S0和S1），是为了保证Survivor区域也可以进行垃圾回收。当老年代的空间不足时，会触发Full GC（也被成为Major GC），如空间仍然不足，便会报OOM的异常。Full GC的速度往往会比Minor GC慢10倍，非常影响程序性能，所以进行Java程序调优时，一定要避免程序频繁的Full GC。
3. G1垃圾收集器
G1垃圾收集器是JDK1.9的默认垃圾收集器，采用的是分代收集算法。同时对分代算法进行了优化和改进，支持并行和并发，GC动作的停顿时间明显缩短。是一款面向服务器的垃圾收集器,主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器。
JVM调优
1. JVM常用参数
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| -Xms | JVM启动时堆内存的初始化大小 |
| -Xmx | 堆内存的最大值 |
| -Xmn | 年轻代的空间大小 |
| -Xss | 线程的堆栈大小 |
| -XX:+PrintGCDetails | 打印GC详情 |
| -XX:+UseG1GC | 应用使用G1垃圾回收器 |
| -XX: NewSize | 年轻代大小 |
| -XX: PermSize | 持久代大小 |
| -XX: SurvivorRatio | Eden区与Survivor区的大小比值，一般设置为8,则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:8,一个Survivor区占整个年轻代的1/10 |
2. JDK命令行工具
- jps (JVM Process Status）: 查看当前运行的所有 Java 进程及相关信息；
- jstat（ JVM Statistics Monitoring Tool）: 查看虚拟机各方面的运行数据，如
jstat -gcutil PID可以查看指定java进程的GC状况; - jinfo (Configuration Info for Java) : 显示虚拟机配置信息;
- jmap (Memory Map for Java) :查看当前堆的使用情况，如
jmap -heap PID; - jhat (JVM Heap Dump Browser ) : 用于分析 heapdump 文件，它会建立一个 HTTP/HTML 服务器，让用户可以在浏览器上查看分析结果;
- jstack (Stack Trace for Java): 查看JVM当前的线程方法堆栈的集合，如
jstack PID。
3. JDK调优工具
- Visual VM。 通过Visual VM的图形用户界面，可以方便、快捷地查看多个Java应用程序的相关信息。
- Arthas。Alibaba开源的Java诊断工具，通过JDK提供的Instrument（基于Java Virtual Machine Tool Interface）和asm库（操作字节码），在低侵入的情况下，可以便捷的实现Java应用的在线状态查看和故障诊断等功能。官网入口
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