江城子的博客
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JVM 相关总结（一）

发表于 分类于 Changyan：

JVM 相关总结（一）

Java 字节码

什么是字节码？

Java bytecode 由单字节 (byte) 的指令组成，理论上最多支持 256（2^8=256）个操作码。实际上 Java 只使用了 200 左右的操作码，还有一些操作码则保留给调试操作。

根据指令的性质，主要分为四个大类：

  1. 栈操作指令，包括与局部变量交互的指令
  2. 程序流控制指令
  3. 对象操作指令，包括方法调用指令
  4. 算数运算以及类型转换指令

生成字节码

编译：javac Hello.java

查看字节码：javap -c Hello

进一步：javap -c -verbose Hello

字节码的运行时结构

JVM 是一台基于栈的计算机器。每个线程都有一个独属于自己的线程栈（JVM Stack），用于存储栈帧（Frame）。

每一次方法调用，JVM 都会自动创建一个栈帧。

栈帧由操作数栈，局部变量数组以及一个 Class 引用组成。Class 引用指向当前方法在运行时常量池中对应的 Class。

JVM 类加载器

类的生命周期

  1. 加载（Loading）：找 Class 文件
  2. 验证（Verification）：验证格式、依赖
  3. 准备（Preparation）：静态字段、方法表
  4. 解析（Resolution）：符号解析为引用
  5. 初始化（Initialization）：构造器、静态变量赋值、静态代码块
  6. 使用（Using）
  7. 卸载（Unloading）

类的加载时机

  1. 当虚拟机启动时，初始化用户指定的主类，就是启动执行的 main 方法所在的类；
  2. 当遇到用以新建目标类实例的 new 指令时，初始化 new 指令的目标类，就是 new 一个类的时候要初始化；
  3. 当遇到调用静态方法的指令时，初始化该静态方法所在的类；
  4. 当遇到访问静态字段的指令时，初始化该静态字段所在的类；
  5. 子类的初始化会触发父类的初始化；
  6. 如果一个接口定义了 default 方法，那么直接实现或者间接实现该接口的类的初始化，会触发该接口的初始化；
  7. 使用反射 API 对某个类进行反射调用时，初始化这个类，其实跟前面一样，反射调用要么是已经有实例了，要么是静态方法，都需要初始化；
  8. 当初次调用 MethodHandle 实例时，初始化该 MethodHandle 指向的方法所在的类。

不会初始化（可能会加载）

  1. 通过子类引用父类的静态字段，只会触发父类的初始化，而不会触发子类的初始化。
  2. 定义对象数组，不会触发该类的初始化。
  3. 常量在编译期间会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用定义常量的类，不会触发定义常量所在的类。
  4. 通过类名获取 Class 对象，不会触发类的初始化，Hello.class 不会让 Hello 类初始化。
  5. 通过 Class.forName 加载指定类时，如果指定参数 initialize 为 false 时，也不会触发类初始化，其实这个参数是告诉虚拟机，是否要对类进行初始化。Class.forName（“jvm.Hello”）默认会加载 Hello 类。
  6. 通过 ClassLoader 默认的 loadClass 方法，也不会触发初始化动作（加载了，但是不初始化）。

三类加载器

  1. 启动类加载器（BootstrapClassLoader）
  2. 扩展类加载器（ExtClassLoader）
  3. 应用类加载器（AppClassLoader）

加载器特点

  1. 双亲委托
  2. 负责依赖
  3. 缓存加载

为啥双亲委托？

  1. 沙箱安全机制：防止核心库被随意篡改
  2. 避免类的重复加载：当父加载器已经加载该类，不需要子加载器再加载一次

添加引用类的几种方式

1、放到 JDK 的 lib/ext 下，或者-Djava.ext.dirs
2、 java –cp/classpath 或者 class 文件放到当前路径
3、自定义 ClassLoader 加载
4、拿到当前执行类的 ClassLoader，反射调用 addUrl 方法添加 Jar 或路径 (JDK9 无效）

JVM 内存模型

JVM 内存结构

每个线程都只能访问自己的线程栈。每个线程都不能访问（看不见）其他线程的局部变量。

所有原生类型的局部变量都存储在线程栈中，因此对其他线程是不可见的。

线程可以将一个原生变量值的副本传给另一个线程，但不能共享原生局部变量本身。

堆内存中包含了 Java 代码中创建的所有对象，不管是哪个线程创建的。 其中也涵盖了包装类型（例如 Byte，Integer，Long 等）。

不管是创建一个对象并将其赋值给局部变量， 还是赋值给另一个对象的成员变量， 创建的对象都会被保存到堆内存中。

如果是原生数据类型的局部变量，那么它的内容就全部保留在线程栈上。

如果是对象引用，则栈中的局部变量槽位中保存着对象的引用地址，而实际的对象内容保存在堆中。

对象的成员变量与对象本身一起存储在堆上，不管成员变量的类型是原生数值，还是 对象引用。

类的静态变量则和类定义一样都保存在堆中。

JVM 内存整体结构

如图所示：

JVM 内存结构

Tip：最大堆内存设置

最大堆内存设置一般为宿主机或者容器可用内存的 60-70%为好，因为还有非堆、堆外内存等其他需要使用内存的区域，不然可能导致 OOM 等问题。

CPU 与内存行为

  • CPU 乱序执行
  • volatile 关键字
  • 原子性操作
  • 内存屏障

什么是 JMM？

JMM 规范明确定义了不同的线程之间，通过哪些方式，在什么时候可以看见其它线程保存到共享变量中的值；以及在必要时，如何对共享变量的访问进行同步。这样的好处是屏蔽各种硬件平台和操作系统之间的内存访问差异，实现了 Java 并发程序真正的跨平台。

JVM 启动参数

JVM 启动参数简介

以 - 开头为标准参数，所有的 JVM 都要实现这些参数，并且向后兼容。（如 -server）

-D 设置系统属性（如 -Dfile.encoding=UTF-8）

-X 非标准参数，基本都是传给 JVM 的，默认 JVM 实现这些参数的功能，但是并不保证所有 JVM 实现都满足，切不保证向后兼容。可以使用java -X命令来查看当前 JVM 支持的非标准参数。（如 -Xmx8g）

–XX：开头为非稳定参数，专门用于控制 JVM 的行为，跟具体的 JVM 实现有关，随时可能会在下个版本取消。

-XX：+-Flags 形式，+- 是对布尔值进行开关。（如 -XX:+UseG1GC，加减开关，+表示打开，-表示关闭）

-XX：key=value 形式，指定某个选项的值。（如 -XX:MaxPermSize=256m）

JVM 启动参数类型

  • 系统属性参数
  • 运行模式参数
  • 堆内存设置参数
  • GC 设置参数
  • 分析诊断参数
  • JavaAgent 参数

JDK 内置命令行工具

JVM 命令行工具

  • java：Java 应用的启动程序
  • javac：JDK 内置的编译工具
  • javap：反编译 class 文件的工具
  • javadoc：根据 Java 代码和标准注释，自动生成相关的 API 说明文档
  • javah：JNI 开发时，根据 java 代码生成需要的 .h 文件
  • extcheck：检查某个 jar 文件和运行时扩展 jar 有没有版本冲突，很少使用
  • jdb：Java Debugger ; 可以调试本地和远端程序，属于 JPDA 中的一个 demo 实现，供其他调试器参考。开发时很少使用
  • jdeps：探测 class 或 jar 包需要的依赖
  • jar：打包工具，可以将文件和目录打包成为 .jar 文件；.jar 文件本质上就是 zip 文件，只是后缀不同。使用时按顺序对应好选项和参数即可
  • keytool：安全证书和密钥的管理工具（支持生成、导入、导出等操作）
  • jarsigner：JAR 文件签名和验证工具
  • policytool：实际上这是一款图形界面工具，管理本机的 Java 安全策略
  • jps/jinfo：查看 java 进程
  • jstat：查看 JVM 内部 gc 相关信息
  • jmap：查看 heap 或类占用空间统计
  • jstack：查看线程信息
  • jcmd：执行 JVM 相关分析命令（整合命令）
  • jrunscript/jjs：执行 js 命令

jstat

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> jstat -options
-class 类加载 (Class loader) 信息统计
-compiler JIT 即时编译器相关的统计信息
-gc GC 相关的堆内存信息，用法：jstat -gc -h 10 -t 864 1s 20
-gccapacity 各个内存池分代空间的容量
-gccause 看上次 GC, 本次 GC（如果正在 GC 中）的原因，其他输出和 -gcutil 选项一致
-gcnew 年轻代的统计信息（New = Young = Eden + S0 + S1）
-gcnewcapacity 年轻代空间大小统计
-gcold 老年代和元数据区的行为统计
-gcoldcapacity old 空间大小统计
-gcmetacapacity meta 区大小统计
-gcutil GC 相关区域的使用率（utilization）统计
-printcompilation 打印 JVM 编译统计信息

如：

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jstat -gcutil pid 1000 1000

每隔 1 秒，打印一千次

jmap

常用选项就 3 个：

-heap 打印堆内存（/内存池）的配置和使用信息

-histo 看哪些类占用的空间最多，直方图

-dump:format=b,file=xxxx.hprof Dump 堆内存

如：

1
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3
jmap -heap pid
jmap -histo pid
jmap -dump:format=b,file=3826.hprof 3826

jstack

-F 强制执行 thread dump. 可在 Java 进程卡死（hung 住）时使用，此选项可能需要系统权限。

-m 混合模式 (mixed mode), 将 Java 帧和 native 帧一起输出，此选项可能需要系统权限。

-l 长列表模式。将线程相关的 locks 信息一起输出，比如持有的锁，等待的锁。

如：

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jstack pid -l

JVM 图形化工具

  • jconsole
  • jvisualvm
  • VisualGC
  • jmc

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