jvm基础----类加载过程以及内存模型

user2803627085198
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1、类加载过程

多个java文件经过编译打包生成可运行jar包，最终由java命令运行某个主类的main函数启动程序，这里首先需要通过类加载器把主类加载到JVM。主类在运行过程中如果使用到其它类，会逐步加载这些类。

jar包里的类不是一次性全部加载的，是使用到时才加载。

步骤如下

加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 卸载

  1. 加载：在硬盘上查找并通过IO读入字节码文件，使用到类时才会加载，例如调用类的main()方法，new对象等等
  2. 验证：校验字节码文件的正确性
  3. 准备：给类的静态变量分配内存，并赋予默认值
  4. 解析：将符号引用替换为直接引用，该阶段会把一些静态方法(符号引用，比如main()方法)替换为指向数据所存内存的指针或句柄等(直接引用)，这是所谓的静态链接过程(类加载期间完成)，动态链接是在程序运行期间完成的将符号引用替换为直接引用，下节课会讲到动态链接
  5. 初始化：对类的静态变量初始化为指定的值，执行静态代码块

image.png

2、类加载器

上面的类加载过程主要是通过类加载器来实现的，Java里有如下几种类加载器
启动类加载器：负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的核心类库，比如rt.jar、charsets.jar等
扩展类加载器：负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的ext扩展目录中的JAR类包
应用程序类加载器：负责加载ClassPath路径下的类包，主要就是加载你自己写的那些类
自定义加载器：负责加载用户自定义路径下的类包
看一个类加载器示例：

public class TestJDKClassLoader {
  public static void main(String[] args){
     System.out.println(String.class.getClassLoader());
     System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassL
oader().getClass().getName());
     System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader().getClass().get
Name());
     System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader().getClass().getName());
 }
 }

运行结果：
null //启动类加载器是C++语言实现，所以打印不出来
sun.misc.LauncherExtClassLoader 13 sun.misc.LauncherAppClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader

3、双亲委派机制

  1. 首先，检查一下指定名称的类是否已经加载过，如果加载过了，就不需要再加载，
    直接返回。
  2. 如果此类没有加载过，那么，再判断一下是否有父加载器；如果有父加载器，则由
    父加载器加载（即调用parent.loadClass(name, false);）.或者是调用bootstrap类加
    载器来加载。
  3. 如果父加载器及bootstrap类加载器都没有找到指定的类，那么调用当前类加载器
    的findClass方法来完成类加载。
    还有一个方法是findClass，默认实现是抛出异常，所以我们自定义类加载器主要是重写
    findClass方法。

image.png

比如我们的test类，最先会找应用程序类加载器加载，应用程序类加载器会先委托扩展类加载器加载，扩展类加载器再委托启动类加载器，顶层启动类加载器在自己的类加载路径里找了半天没找到test类，则向下退回加载test类的请求，扩展类加载器收到回复就自己加载，在自己的类加载路径里找了半天也没找到test类，又向下退回test类的加载请求给应用程序类加载器，应用程序类加载器于是在自己的类加载路径里找test类，结果找到了就自己加载了。

双亲委派机制说简单点就是，先找父亲加载，不行再由儿子自己加载

为什么要设计双亲委派机制？

沙箱安全机制：自己写的java.lang.String.class类不会被加载，这样便可以防止核心API库被随意篡改
避免类的重复加载：当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次，保证被加载类的唯一性

打破双亲委派

以Tomcat类加载为例，Tomcat 如果使用默认的双亲委派类加载机制行不行？
我们思考一下：Tomcat是个web容器， 那么它要解决什么问题：

  1. 一个web容器可能需要部署两个应用程序，不同的应用程序可能会依赖同一个第三方类库的不同版本，不能要求同一个类库在同一个服务器只有一份，因此要保证每个应用程序的类库都是独立的，保证相互隔离。
  2. 部署在同一个web容器中相同的类库相同的版本可以共享。否则，如果服务器有10个应用程序，那么要有10份相同的类库加载进虚拟机。
  3. web容器也有自己依赖的类库，不能与应用程序的类库混淆。基于安全考虑，应该让容器的类库和程序的类库隔离开来。
  4. web容器要支持jsp的修改，我们知道，jsp 文件最终也是要编译成class文件才能在虚拟机中运行，但程序运行后修改jsp已经是司空见惯的事情， web容器需要支持 jsp 修改后不用重启。
    再看看我们的问题：Tomcat 如果使用默认的双亲委派类加载机制行不行？
    答案是不行的。为什么？
    1、第一个问题，如果使用默认的类加载器机制，那么是无法加载两个相同类库的不同版本的，默认的类加器是不管你是什么版本的，只在乎你的全限定类名，并且只有一份。
    2、第二个问题，默认的类加载器是能够实现的，因为他的职责就是保证唯一性。
    3、第三个问题和第一个问题一样。
    4、我们再看第四个问题，我们想我们要怎么实现jsp文件的热加载，jsp 文件其实也就是class文件，那么如果修改了，但类名还是一样，类加载器会直接取方法区中已经存在的，修改后的jsp是不会重新加载的。那么怎么办呢？我们可以直接卸载掉这jsp文件的类加载器，所以你应该想到了，每个jsp文件对应一个唯一的类加载器，当一个jsp文件修改了，就直接卸载这个jsp类加载器。重新创建类加载器，重新加载jsp文件。
    Tomcat自定义加载器详解
    tomcat的几个主要类加载器：
    commonLoader：Tomcat最基本的类加载器，加载路径中的class可以被
    Tomcat容器本身以及各个Webapp访问；
    catalinaLoader：Tomcat容器私有的类加载器，加载路径中的class对于
    Webapp不可见；
    sharedLoader：各个Webapp共享的类加载器，加载路径中的class对于所有
    Webapp可见，但是对于Tomcat容器不可见；
    WebappClassLoader：各个Webapp私有的类加载器，加载路径中的class只对
    当前Webapp可见；
    从图中的委派关系中可以看出：
    CommonClassLoader能加载的类都可以被CatalinaClassLoader和SharedClassLoader使
    用，从而实现了公有类库的共用，而CatalinaClassLoader和SharedClassLoader自己能加
    载的类则与对方相互隔离。
    WebAppClassLoader可以使用SharedClassLoader加载到的类，但各个
    WebAppClassLoader实例之间相互隔离。
    而JasperLoader的加载范围仅仅是这个JSP文件所编译出来的那一个.Class文件，它出现的
    目的就是为了被丢弃：当Web容器检测到JSP文件被修改时，会替换掉目前的
    JasperLoader的实例，并通过再建立一个新的Jsp类加载器来实现JSP文件的热加载功能。
    tomcat 这种类加载机制违背了java 推荐的双亲委派模型了吗？答案是：违背了。
    我们前面说过，双亲委派机制要求除了顶层的启动类加载器之外，其余的类加载器都应当由
    自己的父类加载器加载。
    很显然，tomcat 不是这样实现，tomcat 为了实现隔离性，没有遵守这个约定，每个
    webappClassLoader加载自己的目录下的class文件，不会传递给父类加载器，打破了双
    亲委派机制。

jvm内存模型

image.png

image.png GC 主要工作在 Heap 区和 MetaSpace 区（上图蓝色部分）

4、JVM内存参数设置

Spring Boot程序的JVM参数设置格式(Tomcat启动直接加在bin目录下catalina.sh文件里)：
1 java ‐Xms2048M ‐Xmx2048M ‐Xmn1024M ‐Xss512K ‐XX:MetaspaceSize=256M ‐XX:MaxMetaspaceSize=256M ‐jar microservice‐eureka‐server.jar

JVM初始分配的内存由-Xms指定，默认是物理内存的1/64
JVM最大分配的内存由-Xmx指定，默认是物理内存的1/4
默认空余堆内存小于40%时，JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制；空余堆内存大于70%时，JVM会减少堆直到 -Xms的最小限制。
因此服务器一般设置-Xms、-Xmx相等以避免在每次GC 后调整堆的大小。对象的堆内存由称为垃圾回收器的自动内存管理系统回收。 -Xmn： 可以设置新生代的大小，设置一个比较大的新生代会减少老年代的大小，这个参数对系统性能以及GC行为有很大的影响，新生代大小一般会设置整个堆空间的1/3到1/4左右。 Java虚拟机提供了参数-Xss来指定线程的最大栈空间，整个参数也直接决定了函数可调用的最大深度。 元空间本质跟永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本机内存。因此，元空间大小仅受本地内存限制。

1、日均百万级订单交易系统如何设置JVM参数

image.png

一天百万级订单这个绝对是现在顶尖电商公司交易量级，对于这种量级的系统我们该如何设置JVM参数了？我们可以试着估算下，其实日均百万订单主要也就是集中在当日的几个小时生成的，我们假设是三小时，也就是每秒大概生成100单左右。这种系统我们一般至少要三四台机器去支撑，假设我们部署了四台机器，也就是每台每秒钟大概处理完成25单左右，往上毛估每秒处理30单吧。也就是每秒大概有30个订单对象在堆空间的新生代内生成，一个订单对象的大小跟里面的字段多少及类型有关，比如int类型的订单id和用户id等字段，double类型的订单金额等，int类型占用4字节，double类型占用8字节，初略估计下一个订单对象大概1KB左右，也就是说每秒会有30KB的订单对象分配在新生代内。
真实的订单交易系统肯定还有大量的其他业务对象，比如购物车、优惠券、积分、用户信息、物流信息等等，实际每秒分配在新生代内的对象大小应该要再扩大几十倍，我们假设30倍，也就是每秒订单系统会往新生代内分配近1M的对象数据，这些数据一般在订单提交完的操作做完之后基本都会成为垃圾对象。我们一般线上服务器的配置用得较多的就是双核4G或4核8G，如果我们用双核4G的机器，因为服务器操作系统包括一些后台服务本身可
能就要占用1G多内存，也就是说给JVM进程最多分配2G多点内存，刨开给方法区和虚拟机栈分配的内存，那么堆内存可能也就能分配到1G多点，对应的新生代内存最后可能就几百M，那么意味着没过几百秒新生代就会被垃圾对象撑满而出发minor gc，这么频繁的gc对系统的性能还是有一定影响的。如果我们选择4核8G的服务器，就可以给JVM进程分配四五个G的内存空间，那么堆内存可以分到三四个G左右，于是可以给新生代至少分配2G，这样算下差不多需要半小时到一小时才能把新生代放满触发minor gc，这就大大降低了minor gc的频率，所以一般我们线上服务器用得较多的还是4核8G的服务器配置。
如果系统业务量继续增长那么可以水平扩容增加更多的机器，比如五台甚至十台机器，这样每台机器的JVM处理请求可以保证在合适范围，不至于压力过大导致大量的gc。有的同学可能有疑问说双核4G的服务器好像也够用啊，无非就是minor gc频率稍微高一点呀，不是说minor gc对系统的影响不是特别大吗，我成本有限，只能用这样的服务器啊。其实如果系统业务量比较平稳也能凑合用，如果经常业务量可能有个几倍甚至几十倍的增长，比如时不时的搞个促销秒杀活动什么的，
那我们思考下会不会有什么问题。
假设业务量暴增几十倍，在不增加机器的前提下，整个系统每秒要生成几千个订单，之前每秒往新生代里分配的1M对象数据可能增长到几十M，而且因为系统压力骤增，一个订单的生成不一定能在1秒内完成，可能要几秒甚至几十秒，那么就有很多对象会在新生代里存活几十秒之后才会变为垃圾对象，如果新生代只分配了几百M，意味着一二十秒就会触发一次minor gc，那么很有可能部分对象就会被挪到老年代，这些对象到了老年代后因为对应的业务操作执行完毕，马上又变为了垃圾对象，随着系统不断运行，被挪到老年代的对象会越来越多，最终可能又会导致full gc，full gc对系统的性能影响还是比较大的。如果我们用的是4核8G的服务器，新生代分配到2G以上的水平，那么至少也要几百秒才会放满新生代触发minor gc，那些在新生代即便存活几十秒的对象在minor gc触发的时候大部分已经变为垃圾对象了，都可以被及时回收，基本不会被挪到老年代，这样可以大大减少老年代的full gc次数。

image.png

三、逃逸分析\

JVM的运行模式有三种：
解释模式（Interpreted Mode）：只使用解释器（-Xint 强制JVM使用解释模式），执行一行JVM字节码就编译一行为机器码
编译模式（Compiled Mode）：只使用编译器（-Xcomp JVM使用编译模式）,先将所有JVM字节码一次编译为机器码，然
后一次性执行所有机器码
混合模式（Mixed Mode）：依然使用解释模式执行代码，但是对于一些 "热点" 代码采用编译模式执行，JVM一般采用混合模式执行代码
解释模式启动快，对于只需要执行部分代码，并且大多数代码只会执行一次的情况比较适合；编译模式启动慢，但是后期执行速度快，而且比较占用内存，因为机器码的数量至少是JVM字节码的十倍以上，这种模式适合代码可能会被反复执行的场景；混合模式是JVM默认采用的执行代码方式，一开始还是解释执行，但是对于少部分 “热点 ”代码会采用编译模式执行，这些热点代码对应的机器码会被缓存起来，下次再执行无需再编译，这就是我们常见的JIT(Just In Time Compiler)即时编译技术。
在即时编译过程中JVM可能会对我们的代码最一些优化，比如对象逃逸分析等
对象逃逸分析：就是分析对象动态作用域，当一个对象在方法中被定义后，它可能被外部方法所引用，例如作为调用参数传递到其他地方
中。

1 public User test1() {
2 User user = new User();
3 user.setId(1);
4 user.setName("zhuge");
5 //TODO 保存到数据库
6 return user;
7 }
8
9 public void test2() {
10 User user = new User();
11 user.setId(1);
12 user.setName("zhuge");
13 //TODO 保存到数据库
14 }

很显然test1方法中的user对象被返回了，这个对象的作用域范围不确定，test2方法中的user对象我们可以确定当方法结束这个对象就可
以认为是无效对象了，对于这样的对象我们其实可以将其分配的栈内存里，让其在方法结束时跟随栈内存一起被回收掉。
JVM对于这种情况可以通过开启逃逸分析参数(-XX:+DoEscapeAnalysis)来优化对象内存分配位置，JDK7之后默认开启逃逸分析，如果要
关闭使用参数(-XX:-DoEscapeAnalysis)

1、JVM垃圾回收时候如何确定垃圾？是否知道什么是GC Roots

2、你说你做过JVM参数调优和参数配置，请问如何盘点查看JVM系统默认值

3、你平时工作中用过的JVM常用基本配置参数有哪些？

4、强引用、软引用、弱引用、虚引用费别是什么？

5、请你谈谈对OOM的认识

6、GC垃圾回收算法与垃圾收集器的关系？分别是什么请你谈谈？

7、 怎么查看服务器默认的垃圾回收器是哪一个？生产上如何配置垃圾收集器的？谈谈你对垃圾收集器的理解？

8、G1垃圾收集器

9、生产环境服务器变慢，诊断思路和性能评估谈谈？

10、假如生产环境CPU占用过高，请谈谈你的分析思路和定位。

11、对于JDK自带的监控和性能分析工具用过哪些？一般你怎么用的？

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