一、什么是JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写。JVM是一种用于计算设备的规范。它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

Java语言的一个很重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。

一般的高级语言假设要在不同的平台上执行。至少须要编译成不同的目标代码。

而引入Java语言虚拟机后。Java语言在不同平台上执行时不须要又一次编译。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与详细平台相关的信息。使得Java语言编译程序仅仅需生成在Java虚拟机上执行的目标代码（字节码），就行在多种平台上不加改动地执行。Java虚拟机在执行字节码时。把字节码解释成详细平台上的机器指令执行。这就是Java的可以“一次编译。到处执行”的原因。

从Java平台的逻辑结构上来看。我们能够从下图来了解JVM：

从上图能清晰看到Java平台包括的各个逻辑模块。也能了解到JDK与JRE的差别。对于JVM自身的物理结构，我们能够从下图俯视一下：

二、JAVA代码编译和运行过程

Java代码编译是由Java源代码编译器来完毕，流程图例如以下所看到的：

Java字节码的运行是由JVM运行引擎来完毕。流程图例如以下所看到的：

ava代码编译和运行的整个过程包括了下面三个重要的机制：

• Java源代码编译机制

• 类载入机制

• 类运行机制

Java源代码编译机制

Java 源代码编译由下面三个过程组成：

• 分析和输入到符号表

• 注解处理

• 语义分析和生成class文件

流程图例如以下所看到的：

最后生成的class文件由下面部分组成：

• 结构信息。包含class文件格式版本及各部分的数量与大小的信息

• 元数据。相应于Java源代码中声明与常量的信息。包括类/继承的超类/实现的接口的声明信息、域与方法声明信息和常量池

• 方法信息。相应Java源代码中语句和表达式相应的信息。包括字节码、异常处理器表、求值栈与局部变量区大小、求值栈的类型记录、调试符号信息

类载入机制

JVM的类载入是通过ClassLoader及其子类来完毕的。类的层次关系和载入顺序能够由下图来描写叙述：

1）Bootstrap ClassLoader

负责载入$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里全部的class。由C++实现。不是ClassLoader子类

2）Extension ClassLoader

负责载入java平台中扩展功能的一些jar包。包含$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定文件夹下的jar包

3）App ClassLoader

负责记载classpath中指定的jar包及文件夹中class

4）Custom ClassLoader

属于应用程序依据自身须要自己定义的ClassLoader。如tomcat、jboss都会依据j2ee规范自行实现ClassLoader载入过程中会先检查类是否被已载入，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查，仅仅要某个classloader已载入就视为已载入此类，保证此类仅仅全部ClassLoader载入一次。而载入的顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试载入此类。

类运行机制

JVM是基于栈的体系结构来运行class字节码的。线程创建后。都会产生程序计数器（PC）和栈（Stack），程序计数器存放下一条要运行的指令在方法内的偏移量。栈中存放一个个栈帧，每一个栈帧相应着每一个方法的每次调用。而栈帧又是有局部变量区和操作数栈两部分组成，局部变量区用于存放方法中的局部变量和參数，操作数栈中用于存放方法运行过程中产生的中间结果。栈的结构例如以下图所看到的：

三、JVM内存管理和垃圾回收

JVM内存组成结构

JVM栈由堆、栈、本地方法栈、方法区等部分组成，结构图例如以下所看到的：

1）堆

全部通过new创建的对象的内存都在堆中分配，堆的大小能够通过-Xmx和-Xms来控制。

堆被划分为新生代和旧生代。新生代又被进一步划分为Eden和Survivor区，最后Survivor由From Space和To Space组成，结构图例如以下所看到的：

• 新生代。

  新建的对象都是用新生代分配内存，Eden空间不足的时候。会把存活的对象转移到Survivor中。新生代大小能够由-Xmn来控制，也能够用-XX:SurvivorRatio来控制Eden和Survivor的比例

• 旧生代。用于存放新生代中经过多次垃圾回收仍然存活的对象

• 持久带（Permanent Space）实现方法区，主要存放全部已载入的类信息，方法信息，常量池等等。

  可通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来指定持久带初始化值和最大值。Permanent Space并不等同于方法区，仅仅只是是Hotspot JVM用Permanent Space来实现方法区而已，有些虚拟机没有Permanent Space而用其它机制来实现方法区。

• -Xmx:最大堆内存,如：-Xmx512m

• -Xms:初始时堆内存,如：-Xms256m

• -XX:MaxNewSize:最大年轻区内存

• -XX:NewSize:初始时年轻区内存.通常为 Xmx 的 1/3 或 1/4。新生代 = Eden + 2 个 Survivor 空间。实际可用空间为 = Eden + 1 个 Survivor。即 90%

• -XX:MaxPermSize:最大持久带内存

• -XX:PermSize:初始时持久带内存

• -XX:+PrintGCDetails。

  打印 GC 信息

• -XX:NewRatio 新生代与老年代的比例。如 –XX:NewRatio=2。则新生代占整个堆空间的1/3。老年代占2/3

• -XX:SurvivorRatio 新生代中 Eden 与 Survivor 的比值。

  默认值为 8。即 Eden 占新生代空间的 8/10，另外两个 Survivor 各占 1/10

2）栈

每一个线程运行每一个方法的时候都会在栈中申请一个栈帧。每一个栈帧包含局部变量区和操作数栈，用于存放此次方法调用过程中的暂时变量、參数和中间结果。

-xss:设置每一个线程的堆栈大小. JDK1.5+ 每一个线程堆栈大小为 1M。一般来说假设栈不是非常深的话。 1M 是绝对够用了的。

3）本地方法栈

用于支持native方法的运行，存储了每一个native方法调用的状态

4）方法区

存放了要载入的类信息、静态变量、final类型的常量、属性和方法信息。JVM用持久代（Permanet Generation）来存放方法区，可通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来指定最小值和最大值

垃圾回收依照基本回收策略分

引用计数（Reference Counting）:

比較古老的回收算法。原理是此对象有一个引用，即添加一个计数，删除一个引用则降低一个计数。垃圾回收时，仅仅用收集计数为0的对象。此算法最致命的是无法处理循环引用的问题。

标记-清除（Mark-Sweep）:

此算法运行分两阶段。第一阶段从引用根节点開始标记全部被引用的对象，第二阶段遍历整个堆，把未标记的对象清除。此算法须要暂停整个应用。同一时候。会产生内存碎片。

复制（Copying）:

此算法把内存空间划为两个相等的区域，每次仅仅使用当中一个区域。垃圾回收时，遍历当前使用区域，把正在使用中的对象拷贝到另外一个区域中。

算法每次仅仅处理正在使用中的对象，因此复制成本比較小。同一时候复制过去以后还能进行对应的内存整理，不会出现“碎片”问题。当然，此算法的缺点也是非常明显的。就是须要两倍内存空间。

标记-整理（Mark-Compact）:

此算法结合了“标记-清除”和“复制”两个算法的长处。

也是分两阶段。第一阶段从根节点開始标记全部被引用对象，第二阶段遍历整个堆，把清除未标记对象而且把存活对象“压缩”到堆的当中一块，按顺序排放。此算法避免了“标记-清除”的碎片问题，同一时候也避免了“复制”算法的空间问题。

JVM分别对新生代和旧生代採用不同的垃圾回收机制

新生代的GC：

新生代通常存活时间较短，因此基于Copying算法来进行回收，所谓Copying算法就是扫描出存活的对象，并拷贝到一块新的全然未使用的空间中。相应于新生代，就是在Eden和From Space或To Space之间copy。新生代採用空暇指针的方式来控制GC触发，指针保持最后一个分配的对象在新生代区间的位置。当有新的对象要分配内存时，用于检查空间是否足够。不够就触发GC。

当连续分配对象时。对象会逐渐从eden到survivor，最后到旧生代。

在运行机制上JVM提供了串行GC（Serial GC）、并行回收GC（Parallel Scavenge）和并行GC（ParNew）

1）串行GC

在整个扫描和复制过程採用单线程的方式来进行。适用于单CPU、新生代空间较小及对暂停时间要求不是很高的应用上，是client级别默认的GC方式，能够通过-XX:+UseSerialGC来强制指定

2）并行回收GC

在整个扫描和复制过程採用多线程的方式来进行。适用于多CPU、对暂停时间要求较短的应用上。是server级别默认採用的GC方式。可用-XX:+UseParallelGC来强制指定。用-XX:ParallelGCThreads=4来指定线程数

3）并行GC

与旧生代的并发GC配合使用

旧生代的GC：

旧生代与新生代不同。对象存活的时间比較长，比較稳定，因此採用标记（Mark）算法来进行回收，所谓标记就是扫描出存活的对象。然后再进行回收未被标记的对象，回收后对用空出的空间要么进行合并，要么标记出来便于下次进行分配，总之就是要降低内存碎片带来的效率损耗。在运行机制上JVM提供了串行GC（Serial MSC）、并行GC（parallel MSC）和并发GC（CMS）。详细算法细节还有待进一步深入研究。

以上各种GC机制是须要组合使用的。指定方式由下表所看到的：

四、JVM内存调优

首先须要注意的是在对JVM内存调优的时候不能仅仅看操作系统级别Java进程所占用的内存，这个数值不能准确的反应堆内存的真实占用情况，由于GC过后这个值是不会变化的，因此内存调优的时候要很多其它地使用JDK提供的内存查看工具，比方JConsole和Java VisualVM。

对JVM内存的系统级的调优基本的目的是降低GC的频率和Full GC的次数，过多的GC和Full GC是会占用非常多的系统资源（主要是CPU），影响系统的吞吐量。

特别要关注Full GC，由于它会对整个堆进行整理，导致Full GC一般由于下面几种情况：

旧生代空间不足

    调优时尽量让对象在新生代GC时被回收、让对象在新生代多存活一段时间和不要创建过大的对象及数组避免直接在旧生代创建对象

Pemanet Generation空间不足

    增大Perm Gen空间，避免太多静态对象

统计得到的GC后晋升到旧生代的平均大小大于旧生代剩余空间

    控制好新生代和旧生代的比例

System.gc()被显示调用

    垃圾回收不要手动触发，尽量依靠JVM自身的机制

调优手段主要是通过控制堆内存的各个部分的比例和GC策略来实现，以下来看看各部分比例不良设置会导致什么后果

1）新生代设置过小

一是新生代GC次数很频繁，增大系统消耗；二是导致大对象直接进入旧生代，占领了旧生代剩余空间，诱发Full GC

2）新生代设置过大

一是新生代设置过大会导致旧生代过小（堆总量一定），从而诱发Full GC；二是新生代GC耗时大幅度添加

一般说来新生代占整个堆1/3比較合适

3）Survivor设置过小

导致对象从eden直接到达旧生代。减少了在新生代的存活时间

4）Survivor设置过大

导致eden过小，添加了GC频率

另外，通过-XX:MaxTenuringThreshold=n来控制新生代存活时间，尽量让对象在新生代被回收

由内存管理和垃圾回收可知新生代和旧生代都有多种GC策略和组合搭配，选择这些策略对于我们这些开发者是个难题。JVM提供两种较为简单的GC策略的设置方式

1）吞吐量优先

JVM以吞吐量为指标。自行选择对应的GC策略及控制新生代与旧生代的大小比例，来达到吞吐量指标。这个值可由-XX:GCTimeRatio=n来设置

2）暂停时间优先

JVM以暂停时间为指标。自行选择对应的GC策略及控制新生代与旧生代的大小比例，尽量保证每次GC造成的应用停止时间都在指定的数值范围内完毕。

这个值可由-XX:MaxGCPauseRatio=n来设置

最后汇总一下JVM常见配置

堆设置

-Xms:初始堆大小

-Xmx:最大堆大小

-XX:NewSize=n:设置年轻代大小

-XX:NewRatio=n:设置年轻代和年老代的比值。

如:为3。表示年轻代与年老代比值为1：3，年轻代占整个年轻代年老代和的1/4

-XX:SurvivorRatio=n:年轻代中Eden区与两个Survivor区的比值。注意Survivor区有两个。如：3。表示Eden：Survivor=3：2，一个Survivor区占整个年轻代的1/5

-XX:MaxPermSize=n:设置持久代大小

收集器设置

-XX:+UseSerialGC:设置串行收集器

-XX:+UseParallelGC:设置并行收集器

-XX:+UseParalledlOldGC:设置并行年老代收集器

-XX:+UseConcMarkSweepGC:设置并发收集器

垃圾回收统计信息

-XX:+PrintGC

-XX:+PrintGCDetails

-XX:+PrintGCTimeStamps

-Xloggc:filename

并行收集器设置

-XX:ParallelGCThreads=n:设置并行收集器收集时使用的CPU数。并行收集线程数。

-XX:MaxGCPauseMillis=n:设置并行收集最大暂停时间

-XX:GCTimeRatio=n:设置垃圾回收时间占程序执行时间的百分比。公式为1/(1+n)

并发收集器设置

-XX:+CMSIncrementalMode:设置为增量模式。适用于单CPU情况。

-XX:ParallelGCThreads=n:设置并发收集器年轻代收集方式为并行收集时，使用的CPU数。并行收集线程数。

我自己生产环境配置例如以下。tomcat是多实例的

连接池

调优续：

要了解Java垃圾收集机制，先理解JVM内存模式是很重要的。今天我们将会了解JVM内存的各个部分、怎样监控以及垃圾收集调优。

Java（JVM）内存模型

栈内存和堆内存的差别。

Java 堆内存开关

Java提供了大量的内存开关（參数），我们能够用它来设置内存大小和它们的比例。

以下是一些经常使用的开关：

大多数时候，上面的选项已经足够使用了。可是假设你还想了解其它的选项，那么请查看JVM选项官方网页。

Java垃圾回收

Java垃圾回收会找出无用的对象。把它从内存中移除并释放出内存给以后创建的对象使用。Java程序语言中的一个最大长处是自己主动垃圾回收，不像其它的程序语言那样须要手动分配和释放内存，比方C语言。

垃圾收集器是一个后台执行程序。它管理着内存中的全部对象并找出没被引用的对象。全部的这些未引用的对象都会被删除。回收它们的空间并分配给其它对象。

一个主要的垃圾回收过程涉及三个步骤：

1. 标记：这是第一步。

   在这一步，垃圾收集器会找出哪些对象正在使用和哪些对象不在使用。

2. 正常清除：垃圾收集器清会除不在使用的对象，回收它们的空间分配给其它对象。
3. 压缩清除：为了提升性能。压缩清除会在删除无用的对象后，把全部存活的对象移到一起。

   这样能够提高分配新对象的效率。

简单标记和清除方法存在两个问题：

1. 效率非常低。由于大多数新建对象都会成为“没用对象”。
2. 经过多次垃圾回收周期的对象非常有可能在以后的周期也会存活下来。

上面简单清除方法的问题在于Java垃圾收集的分代回收的。并且在堆内存里有年轻代和年老代两个区域。我已经在上面解释了Minor GC和Major GC是如何扫描对象，以及如何把对象从一个分代空间移到另外一个分代空间。

Java垃圾回收类型

这里有五种能够在应用里使用的垃圾回收类型。仅须要使用JVM开关就能够在我们的应用里启用垃圾回收策略。

让我们一起来逐一了解：

1. Serial GC（-XX:+UseSerialGC）：Serial GC使用简单的标记、清除、压缩方法对年轻代和年老代进行垃圾回收。即Minor
   GC和Major GC。Serial GC在client模式（客户端模式）非常实用。比方在简单的独立应用和CPU配置较低的机器。这个模式对占有内存较少的应用非常管用。

2. Parallel GC（-XX:+UseParallelGC）：除了会产生N个线程来进行年轻代的垃圾收集外。Parallel GC和Serial GC差点儿一样。

   这里的N是系统CPU的核数。我们能够使用
   -XX:ParallelGCThreads=n 这个JVM选项来控制线程数量。并行垃圾收集器也叫throughput收集器。

   由于它使用了多CPU加快垃圾回收性能。Parallel GC在进行年老代垃圾收集时使用单线程。

3. Parallel Old GC（-XX:+UseParallelOldGC）：和Parallel GC一样。不同之处。Parallel Old GC在年轻代垃圾收集和年老代垃圾回收时都使用多线程收集。

4. 并发标记清除（CMS）收集器（-XX:+UseConcMarkSweepGC)：CMS收集器也被称为短暂停顿并发收集器。它是对年老代进行垃圾收集的。CMS收集器通过多线程并发进行垃圾回收，尽量降低垃圾收集造成的停顿。

   CMS收集器对年轻代进行垃圾回收使用的算法和Parallel收集器一样。

   这个垃圾收集器适用于不能忍受长时间停顿要求高速响应的应用。可使用
   -XX:ParallelCMSThreads=n JVM选项来限制CMS收集器的线程数量。

5. G1垃圾收集器（-XX:+UseG1GC) G1（Garbage First）：垃圾收集器是在Java 7后才干够使用的特性，它的长远目标时取代CMS收集器。G1收集器是一个并行的、并发的和增量式压缩短暂停顿的垃圾收集器。G1收集器和其它的收集器执行方式不一样。不区分年轻代和年老代空间。它把堆空间划分为多个大小相等的区域。当进行垃圾收集时，它会优先收集存活对象较少的区域，因此叫“Garbage
   First”。

   你能够在Oracle Garbage-FIrst收集器文档找到很多其它具体信息。

Java垃圾收集监控

我们能够使用命令行和图形工具来监控监控应用垃圾回收。

比如，我使用Java SE下载页中的一个demo来实验。

假设你想使用相同的应用，能够到Java SE下载页面下载JDK
7和JavaFX演示和演示样例。

我使用的演示样例应用是Java2Demo.jar，它位于 jdk1.7.0_55/demo/jfc/Java2D 文件夹下。这仅仅是一个可选步骤。你能够执行GC监控命令监控不论什么Java应用。

我打开演示应用使用的命令是：

jsat

能够使用jstat命令行工具监控JVM内存和垃圾回收。标准的JDK已经附带了jstat，所以不须要做不论什么额外的事情就能够得到它。

要执行jstat你须要知道应用的进程id。你能够使用 ps -eaf | grep java 命令获取进程id。

从上面知道，我的Java应用进程id是9582。如今能够执行jstat命令了。就像以下展示的一样：

jstat命令的最后一个參数是每一个输出的时间间隔。每隔一秒就会打印出内存和垃圾收集数据。

让我们一起来对每一列的意义进行逐一了解：

• S0C和S1C：这一列展示了Survivor0和Survivor1区的当前大小（单位KB）。
• S0U和S1U：这一列展示了当前Survivor0和Survivor1区的使用情况（单位KB）。注意：不管不论什么时候，总会有一个Survivor区是空着的。

• EC和EU：这些列展示了Eden区当前空间大小和使用情况（单位KB）。注意：EU的大小一直在增大。并且仅仅要大小接近EC时，就会触发Minor GC并且EU将会减小。

• OC和OU：这些列展示了年老代当前空间大小和当前使用情况（单位KB）。
• PC和PU：这些列展示了Perm Gen（永久代）当前空间大小和当前使用情况（单位KB）。
• YGC和YGCT：YGC这列显示了发生在年轻代的GC事件的数量。YGCT这列显示了在年轻代进行GC操作的累计时间。注意：在EU的值因为minor GC导致下降时，同一行的YGC和YGCT都会添加。
• FGC和FGCT：FGC列显示了发生Full GC事件的次数。FGCT显示了进行Full GC操作的累计时间。注意：相对于年轻代的GC使用时间，Full GC所用的时间长非常多。

• GCT：这一列显示了GC操作的总累计时间。注意：总累计时间是YGCT和FGCT两列所用时间的总和（GCT=YGCT+FGCT）。

jstat的长处，我们相同能够在没有GUI的远程server上执行jstat。

注意：我们是通过 -Xmn10m 选项来指定S0C、S1C和EC的总和为10m的。

Java VisualVM及Visual GC插件

假设你想在GUI里查看内存和GC，那么能够使用jvisualvm工具。

Java VisualVM相同是JDK的一部分，所以你不须要单独去下载。

在终端执行jvisualvm命令启动Java VisualVM程序。一旦启动程序，你须要从Tools->Plugins选项安装Visual GC插件，就像以下图片展示的。

安装完Visual GC插件后。从左边栏打开应用并把视角转到Visual GC部分。

你将会得到关于JVM内存和垃圾收集详情，例如以下图所看到的。

Java垃圾回收调优

Java垃圾回收调优应该是提升应用吞吐量的最后一个选择。在你发现应用因为长时间垃圾回收导致了应用性能下降、出现超时的时候，应该考虑Java垃圾收集调优。

假设你在日志里看到 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space错误。那么能够尝试使用 -XX:PermGen 和 -XX:MaxPermGen JVM选项去监控并添加Perm Gen内存空间。

你也能够尝试使用-XX:+CMSClassUnloadingEnabled并查看使用CMS垃圾收集器的运行性能。

假设你看到了大量的Full GC操作。那么你应该尝试增大老年代的内存空间。

全面垃圾收集调优要花费大量的努力和时间。这里没有一尘不变的硬性调优规则。

你须要去尝试不同的选项而且对这些选项进行对照，从而找出最适合自己应用的方案。

这就是全部的Java内存模型和垃圾回收内容。

希望对你理解JVM内存和垃圾收集过程有所帮助。

原文链接： journaldev 翻译： ImportNew.com– 进林

译文链接： http://www.importnew.com/14086.html