JVM调优之基础知识（性能优化专题）

JVM调优

古人云：知其然，更要知其所以然。

这里我们介绍的是Jvm，那么首先我们了解jvm的基础知识，什么是jvm，jvm相关的知识有哪些？

1）JVM是什么？

引用官方介绍：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虚拟机本质上就是一个程序，当它在命令行上启动的时候，就开始执行保存在某字节码文件中的指令。Java语言的可移植性正是建立在Java虚拟机的基础上。任何平台只要装有针对于该平台的Java虚拟机，字节码文件（.class）就可以在该平台上运行。这就是“一次编译，多次运行”。

Java虚拟机不仅是一种跨平台的软件，而且是一种新的网络计算平台。该平台包括许多相关的技术，如符合开放接口标准的各种API、优化技术等。Java技术使同一种应用可以运行在不同的平台上。Java平台可分为两部分，即Java虚拟机（Java virtual machine，JVM）和Java API类库。 

2）体系结构

每个Java程序都离不开Java虚拟机，Java程序的运行依靠具体的Java虚拟机实例。在Java虚拟机规范中，分

别用子系统、内存区、数据类型以及指令这几个术语来描述的。这些组成部分一起展示出一个抽象化的虚拟机内部的抽象体系结

Java虚拟机主要分为五大模块：类装载器子系统、运行时数据区、执行引擎、本地方法接口和垃圾收集模块

3）内存管理

①Java运行时涉及到的存储区域主要包括程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、java堆、方法区以及直接内存等等

②对于每个部分，都有其使用的条件。程序计数器主要是取下一条指令，在Java里面主要是取下一条指令的字节码文件；Java虚拟机栈主要是利用栈先进后出的特性存储局部变量表，动态链接等，主要包括堆内存和栈内存，对于程序员内存分析而言是特别重要的.Java堆是内存管理中最大的一块，所有的线程共享这一块内容，同时该部分也是垃圾收集器的主要区域。

③虚拟机的垃圾回收机制是完善的，动态内存分配和回收是比较成熟的，在内存管理机制中，大部分都不需要我们考虑内存回收，只有Java堆和方法区需要我们考虑处理内存问题。一般的对于内存回收首先就是判断某一个部分是生存还是死亡，主要是通过下面二种算法：

其一是引用计数算法，本算法实现简单，判定的效率也是比较高的，很多的软件都使用了该算法，但是主流的Java并没有选择该算法，核心的问题是该算法难以处理对象之间相互调用的问题。

其二是称可达性分析算法，该算法核心思想是依靠判断对象是否存活来实现的，本算法是通过一系列的GC ROOTS的对象作为起始点，采用搜索的算法遍历引用链，如果搜索过程中没有发现该节点，则认为该节点是不可达的，即可回收的，在Java里面，一般可以使用该算法处理问题。

 

注释：

①引用计数算法：给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它的时候，计数器就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器为0的对象是不可能被使用的。 但是JVM并没有使用引用计数来管理内存，其中最重要的原因就是它很难解决对象之间的相互引用关系。

引用计数算法的垃圾收集一般有侵入式与非侵入式两种，侵入式的实现就是将引用计数器直接根植在对象内部，用C++的思想进行解释就是，在对象的构造或者拷贝构造中进行加一操作，在对象的析构中进行减一操作，非侵入式恩想就是有一块单独的内存区域，用作引用计数器

引用其他作者的文章：https://www.cnblogs.com/WJ5888/p/4359783.html

②可达性分析算法：

在Java中采取了 可达性分析法。该方法的基本思想是通过一系列的“GC Roots”对象作为起点进行搜索，如果在“GC Roots”和一个对象之间没有可达路径，则称该对象是不可达的，不过要注意的是被判定为不可达的对象不一定就会成为可回收对象。被判定为不可达的对象要成为可回收对象必须至少经历两次标记过程，如果在这两次标记过程中仍然没有逃脱成为可回收对象的可能性，则基本上就真的成为可回收对象了。最后面两句将object1和object2赋值为null，也就是说object1和object2指向的对象已经不可能再被访问，但是由于它们互相引用对方，导致它们的引用计数都不为0，那么垃圾收集器就永远不会回收它们。

Java并不采用引用计数法来判断对象是否已“死”，而采用“可达性分析”来判断对象是否存活（同样采用此法的还有C#、Lisp-最早的一门采用动态内存分配的语言）。 
此算法的核心思想：通过一系列称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径称为“引用链”，当一个对象到 GC Roots 没有任何的引用链相连时(从 GC Roots 到这个对象不可达)时，证明此对象不可用

对象Object5 —Object7之间虽然彼此还有联系，但是它们到 GC Roots 是不可达的，因此它们会被判定为可回收对象。

在Java语言中，可作为GC Roots的对象包含以下几种：

1. 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象。(可以理解为:引用栈帧中的本地变量表的所有对象)
2. 方法区中静态属性引用的对象(可以理解为:引用方法区该静态属性的所有对象)
3. 方法区中常量引用的对象(可以理解为:引用方法区中常量的所有对象)
4. 本地方法栈中(Native方法)引用的对象(可以理解为:引用Native方法的所有对象)

可以理解为:

(1)首先第一种是虚拟机栈中的引用的对象，我们在程序中正常创建一个对象，对象会在堆上开辟一块空间，同时会将这块空间的地址作为引用保存到虚拟机栈中，如果对象生命周期结束了，那么引用就会从虚拟机栈中出栈，因此如果在虚拟机栈中有引用，就说明这个对象还是有用的，这种情况是最常见的。

(2)第二种是我们在类中定义了全局的静态的对象，也就是使用了static关键字，由于虚拟机栈是线程私有的，所以这种对象的引用会保存在共有的方法区中，显然将方法区中的静态引用作为GC Roots是必须的。

(3)第三种便是常量引用，就是使用了static final关键字，由于这种引用初始化之后不会修改，所以方法区常量池里的引用的对象也应该作为GC Roots。最后一种是在使用JNI技术时，有时候单纯的Java代码并不能满足我们的需求，我们可能需要在Java中调用C或C++的代码，因此会使用native方法，JVM内存中专门有一块本地方法栈，用来保存这些对象的引用，所以本地方法栈中引用的对象也会被作为GC Roots。

4）特性

1.移植性 

无论是GC还是Hotspot都可以用在任何Java可用的地方。比方说，JRuby可以运行在其他平台上，Rails应用就可以运行在IBM主机上的JRuby上，而且这台IBM主机运行的是CP/CMS.实际上，由于Java和OpenJDK项目的开源，我们正在看到越来越多的平台的衍生，因此JVM的移植性也将越来越棒。

2.成熟

JVM已有多年的历史，在过去的这些年里，许多开发者为它做出了许多贡献，使得它的性能一次又一次地提升，让JVM变得更加稳定、快速和广泛。

3.覆盖面

Ruby和JVM上的其他语言项目已经被承认，一个例子是invokedynamic specification（akaJSR292）。JSR越来越配合新的语言，JVM已不再是Java一个人定制规则。JVM正在构建成为类如JRuby等项目的优良平台。还有一个MLVM（multiple languageVM）项目，好比是新特性的清算机构，是一个许多企业应用的开发者试图添加应用的地方，而这些应用正是他们想在JVM中看到的。而且JVM开发者互相协作、彼此影响，无疑这有利于JVM新特性的诞生。这些细节都可以看到JVM正在关注开发者的需求，扩大他的覆盖面

5）碎片回收

Java类的实例所需的存储空间是在堆上分配的。解释器具体承担为类实例分配空间的工作。解释器在为一个实例分配完存储空间后，便开始记录对该实例所占用的内存区域的使用。一旦对象使用完毕，便将其回收到堆中。在Java语言中，除了new语句外没有其他方法为一对象申请和释放内存。对内存进行释放和回收的工作是由Java运行系统承担的。这允许Java运行系统的设计者自己决定碎片回收的方法。在SUN公司开发的Java解释器和Hot Java环境中，碎片回收用后台线程的方式来执行。这不但为运行系统提供了良好的性能，而且使程序设计人员摆脱了自己控制内存使用的风险。