性能优化专题 - JVM 性能优化 - 01 - JVM介绍与入门

前言

性能优化专题共计四个部分，分别是：

• Tomcat 性能优化
• MySql 性能优化
• JVM 性能优化
• 性能测试

本节是性能优化专题第二部分 —— JVM 性能优化篇，共计六个小节，分别是：

1. JVM介绍与入门
2. 类文件讲解
3. 字节码执行引擎
4. GC算法与调优
5. Java内存模型与锁优化
6. Linux性能监控与调优

通过这六节的学习，你将学到：

➢ 了解JVM内存模型以及每个分区详解。
➢ 熟悉运行时数据区，特别是堆内存结构和特点。
➢ 熟悉GC三种收集方法的原理和特点。
➢ 熟练使用GC调优工具，快速诊断线上问题。
➢ 生产环境CPU负载升高怎么处理？
➢ 生产环境给应用分配多少线程合适？
➢ JVM字节码是什么东西？

官方文档

寻找JDK文档过程

我们说，学习一门开源技术，看其官网文档就是最好的资料！

www.oracle.com -> 右下角Product Documentation -> 往下拉选择Java -> Java SE documentation-> Previous releases -> JDK 8 -> 此时定位到https://docs.oracle.com/javase/8/

The relation of JDK/JRE/JVM

Reference -> Developer Guides -> 定位到:https://docs.oracle.com/javase/8/docs/index.html

Oracle有两种实现Java Platform Standard Edition（Java SE）8的产品：Java SE Development Kit（JDK）8和Java SE Runtime Environment（JRE）8。

JDK 8是JRE 8的超集，包含JRE 8中的所有内容，以及开发小程序和应用程序所需的工具，例如编译器和调试器。JRE 8提供了库，Java虚拟机（JVM）和其他组件，以运行用Java编程语言编写的小程序和应用程序。请注意，JRE包含Java SE规范不需要的组件，包括标准和非标准Java组件。

映入眼帘的就是关于JVM、JDK、JRE 三者之间的关系与联系，下图中涉及到的知识点如果有不清楚的地方，可以直接点击查看官方文档的说明。

• JVM只是JRE的一部分。
• JRE（Java Runtime Environment，Java运行环境），包含了Java虚拟机、Java基础类库，是使用Java语言编写的程序运行时所需要的软件环境，是提供给想运行Java程序的用户使用的，普通用户只是运行已开发好的Java程序的话，安装JRE即可。
• JDK（Java Development Kit，Java开发工具包），Java程序设计语言、Java虚拟机、Java API类库这三部分统称为JDK。作为一个Java程序员，JDK是必须安装的。

为什么将官网的学习放在JVM的第一步？ 因为一流的程序员往往看的是规范，规范只有一套，走遍天下都不怕，这就像我们为什么我们要学习设计模式的道理一样，约定优于配置，没有规矩不成方圆！二流的程序员才看开源与实现，三流的程序员那就是面向 Google 编程啦~

JVM体系结构概述

JVM全称 Java Virtual Machuine,即Java虚拟机。是一个虚构出来的计算机，它屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使得Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码，ByteCode）, 就可以在多种平台上不加修改地运行。这背后其实就是JVM把字节码翻译成具体平台上的机器指令，从而实现“一次编写，到处运行（Write Once, Run Anywhere）”。

下图描述了JVM整套流程的体系结构，至关重要，接下来，我们依据各个组件进行系统化讲解。

类加载器（Class Loader）

类加载器，负责加载class文件，class文件在文件开头有特定的文件标示， 并且ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。

类加载器流程图：

通常我们说类加载器整个体系：

•虚拟机自带的加载器。

•启动类加载器（Bootstrap）：C++实现此功能。

•扩展类加载器（Extension）：Java实现此功能。

•应用程序类加载器（AppClassLoader） ：Java实现此功能，也叫系统类加载器，加载当前应用的classpath的所有类。

•用户自定义加载器：Java.lang.ClassLoader的子类，用户可以定制类的加载方式。

试思考，为什么可以直接使用Object类？

public class ClassLoaderTest {
    
    

    public static void main(String[] args) {
    
    
        System.out.println(new ClassLoaderTest().getClass().getClassLoader().getParent().getParent());
        System.out.println(new ClassLoaderTest().getClass().getClassLoader().getParent());
        System.out.println(new ClassLoaderTest().getClass().getClassLoader());
        //双亲委派
        System.out.println(new Object().getClass().getClassLoader());
    }
}

结果输出：

第一个打印结果为空，说明根Bootstrap通过非Java实现的，C++的对象不能在Java里获取。
第二个打印结果为可扩展的Classloader。
第三个打印结果为系统级的Classloader。
第四个打印结果为空，说明获取到的是Bootstrap级别的Classloader，结合上面类加载器的流程图，得知，Bootstrap里的ClassLoader是加载 $JAVAHOME/jre/lib/rt.jar目录下的，并且Object类就是在rt.jar里。

所以，Object就是利用双亲委派机制，当JVM运行的时候，会把所有的 $JAVAHOME/jre/lib/rt.jar 里的内容都被根级Bootstrap的Classloader加载了，这就是为什么可以直接使用Object类的原理！

关于双亲委派机制，我们写一个demo

这里我们模仿String类，自己手动创建java.lang.String类。

package java.lang;

/**
 */
public class String {
    
    

    public static void main(String[] args) {
    
    
        new String();
    }
}

运行结果如下：

很有意思的是，明明写了main方法，控制台却提示找不到main函数，说明可能是调用了 $JAVAHOME/jre/lib/rt.jar目录下的java.lang.String类的main函数，于是去源码里找确实没有main函数。
那么为什么会出现这种情况？jvm不会去找我们自己实现的，而是找jdk自带的类？
依旧是回到刚才的类加载器的流程图，JVM启动后会自动委派给父级去寻找当前需要执行的方法，只有当任何父级都加载不到，才会交给下一级处理，而在Bootstrap根级别里就找到了String类，由于其没有main函数，所以报错，这就是双亲委派机制。

运行时数据区（Runtime Data Area）

运行时数据区是整个 JVM 流程中最重要的一环，共计分为五个部分：

• 程序计数器（Program Counter Register）
• Java虚拟机栈（JVM Stack）
• 本地方法栈（Native Method Stack）
• Java堆（Heap）
• 方法区（Method Area）

程序计数器

每个线程都有一个程序计数器，是线程私有的,就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（用来存储指向下一条指令的地址,也即将要执行的指令代码），由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不记。

方法区

方法区（Method Area），是各个线程共享的内存区域，它用于存储虚拟机加载的：类信息+普通常量+静态常量+编译器编译后的代码等等，虽然JVM规范将方法区描述为堆的一个逻辑部分，但它却还有一个别名叫做Non-Heap(非堆)，目的就是要和堆分开。

方法区存储什么?

• 类信息：类的版本、字段、方法、接口
• 静态变量
• 常量
• 类信息(构造方法/接口定义) • 运行时常量池

对于HotSpot虚拟机，很多开发者习惯将方法区称之为“永久代(Parmanent Gen)” ，但严格本质上说两者不同，或者说使用永久代来实现方法区而已，永久代是方法区(相当于是一个接口interface)的一个实现，jdk1.7的版本中，已经将原本放在永久代的字符串常量池移走。

常量池（Constant Pool）是方法区的一部分，Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息就是常量池，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

方法区是被所有线程共享，所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在此定义。简单说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，此区属于共享区间。

静态变量+常量+类信息(构造方法/接口定义)+运行时常量池存在方法区中。

永久存储区是一个常驻内存区域，用于存放JDK自身所携带的 Class,Interface 的元数据，也就是说它存储的是运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭 JVM 才会释放此区域所占用的内存。

如果出现java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space，说明是Java虚拟机对永久代Perm内存设置不够。一般出现这种情况，都是程序启动需要加载大量的第三方jar包。例如：在一个Tomcat下部署了太多的应用。或者大量动态反射生成的类不断被加载，最终导致Perm区被占满。

Jdk1.6及之前： 有永久代, 常量池1.6在方法区

Jdk1.7： 有永久代，但已经逐步“去永久代”，常量池1.7在堆

Jdk1.8及之后： 无永久代，常量池1.8在元空间

栈区

栈也叫栈内存，主管Java程序的运行，是在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就Over，生命周期和线程一致，是线程私有的。8种基本类型的变量+对象的引用变量+实例方法都是在函数的栈内存中分配。

栈存储什么?

• 局部变量表:输入参数和输出参数以及方法内的变量类型；局部变量
  表在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法在帧中分配
  多少内存是固定的
• 栈操作（Operand Stack）:记录出栈、入栈的操作；
• 动态链接
• 方法出口

图示在一个栈中有两个栈帧：栈帧 2是最先被调用的方法，先入栈，然后方法 2 又调用了方法1，栈帧 1处于栈顶的位置，栈帧 2 处于栈底，执行完毕后，依次弹出栈帧 1和栈帧 2，线程结束，栈释放。

每执行一个方法都会产生一个栈帧，保存到栈(后进先出)的顶部，顶部栈就是当前的方法，该方法执行完毕后会自动将此栈帧出栈。

堆

一个JVM实例只存在一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后，需要把类、方法、常变量放到堆内存中，保存所有引用类型的真实信息，以方便执行器执行，堆内存分为三部分：

项目	英文
Young Generation Space 新生区	Young/New
Tenure generation space 养老区	Old/ Tenure
Permanent Space 永久区	Perm

一个JVM实例只存在一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的。
类加载器读取了类文件后，需要把类、方法、常变量放到堆内存中，保存所有引用类型的真实信息，以方便执行器执行。

堆内存逻辑上分为三部分：新生+养老+方法区

Java7堆的实现：

Java8堆的实现：
JDK 1.8之后将最初的永久代取消了，由元空间取代。

栈+堆+方法区的交互关系?

HotSpot是使用指针的方式来访问对象：Java堆中会存放访问类元数据的地址，reference存储的就直接是对象的地址。

本地方法栈

与Java虚拟机栈的作用非常相似，区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。此区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

HotSpot虚拟机中，直接把Java虚拟机栈和本地方法栈合二为一。

执行引擎（Execution Engine）

执行引擎负责解释命令，提交操作系统执行。

执行字节码指令，该区域包括解释器、编译器和垃圾回收器。

• 解释器：解释器更快地解释字节码，但执行缓慢。解释器的缺点是当一个方法被调用多次时，每次都需要一个新的解释
• JIT编译器：JIT编译器消除了解释器的缺点。执行引擎将在转换字节码时使用解释器的帮助，但是当它发现重复的代码时，将使用JIT编译器，它编译整个字节码并将其更改为本地代码。这个本地代码将直接用于重复的方法调用，这提高了系统的性能
• 垃圾收集器：收集和删除未引用的对象，来释放内存空间。

本地库接口（Native Interface）

本地接口的作用是融合不同的编程语言为 Java 所用。

提供一个标准的方式让Java程序通过虚拟机与原生代码进行交互，这也就是我们平常常说的Java本地接口（JNI——Java Native Interface）。它使得在 JVM 内部运行的Java 代码能够与用其它编程语言（如 C、C++ 和汇编语言）编写的应用程序和库进行互操作。JNI最重要的好处是它没有对底层 Java 虚拟机的实现施加任何限制。因此，Java虚拟机厂商可以在不影响虚拟机其它部分的情况下添加对JNI的支持。程序员只需编写一种版本的本地应用程序或库，就能够与所有支持JNI 的Java 虚拟机协同工作。

本地方法库（Native Libraires）

它是执行引擎所需的本机库的集合。

GC参数调优入门

案例一

我们测试的机器配置是：8G内存+1T硬盘。首先我们先上一个DEMO：

@RestController
public class HeapController {
    
    

    List<Person> list=new ArrayList<Person>();

    /**
     * -Xmx32M -Xms32M
     * @return
     */
    @GetMapping("/heap")
    public String heap(){
    
    
        while(true){
    
    
            list.add(new Person());
        }
    }
}

Person类：

@Data
public class Person {
    
    

    private String username;
    private String password;
}

然后设置VM参数为：

-Xmx32M -Xms32M
# 最大堆内存32m、初始化堆内存32m

接下来我们开始访问：
http://localhost:8080/heap

这里我们调用接口即可，由于使用死循环，这里的页面错误可以忽略不计。直接看打印结果：

经典的OOM的错误，接下来我们写一个工具类来查看详细的内存溢出信息：

public class MemoryCalc {
    
    

    public static void main(String[] args) {
    
    
        //返回 Java 虚拟机试图使用的最大内存量
        long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();
        //返回 Java 虚拟机中的内存总量
        long totalMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory();
        System.out.println("MAX_MEMORY = " + maxMemory + "(字节)、" + getSize(Long.bitCount(maxMemory)));
        System.out.println("TOTAL_MEMORY = " + totalMemory + "(字节)、" + getSize(Long.bitCount(totalMemory)));
    }

    public static String getSize(int size) {
    
    
        //定义GB的计算常量
        int GB = 1024 * 1024 * 1024;
        //定义MB的计算常量
        int MB = 1024 * 1024;
        //定义KB的计算常量
        int KB = 1024;
        //格式化小数
        DecimalFormat df = new DecimalFormat("0.0");
        String resultSize = "";
        if (size / GB >= 1) {
    
    
            //如果当前Byte的值大于等于1GB
            resultSize = df.format(size / (float) GB) + "GB   ";
        } else if (size / MB >= 1) {
    
    
            //如果当前Byte的值大于等于1MB
            resultSize = df.format(size / (float) MB) + "MB   ";
        } else if (size / KB >= 1) {
    
    
            //如果当前Byte的值大于等于1KB
            resultSize = df.format(size / (float) KB) + "KB   ";
        } else {
    
    
            resultSize = size + "B   ";
        }
        return resultSize;
    }
}

此时我们将MemoryCalc 工具类的VM参数加入：

-Xmx1024m -Xms1024m -XX:+PrintGCDetails
# 最大堆内存1024m、初始化堆内存1024m、开启了GC日志输出

打印结果：

Full GC：对整个堆内存空间的一次垃圾回收
GC：对年轻代空间的一次垃圾回收
Allocation Failure：“分配失败”，即为新对象分派内存不够
System.gc()：执行该方法触发的GC

案例二

先上一个Demo：

public class JVMTest01 {
    
    

    byte[] bytes = new byte[1 * 1024 * 1024];

    public static void main(String[] args) {
    
    
        ArrayList<JVMTest01> list = new ArrayList<>();
        int count = 0;
        try {
    
    
            while (true) {
    
    
                list.add(new JVMTest01());
                count ++;
            }
        } catch (Throwable e) {
    
    
            System.out.println("count:" + count);
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

此时我们将MemoryCalc 工具类的VM参数加入：

-Xms1m -Xmx8m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
# 最大堆内存1m、初始化堆内存8m、当内存溢出时触发java.lang.OutOfMemo: Java heap space

运行结果：

写在最后

本节代码下载地址为：https://github.com/harrypottry/jvmDemo

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