环境准备
常用性能指标
- 解决流程
- 资源分类
- 常用套路
- 衡量系统性能维度
  - 常用分类1
  - 常用分类2
JVM基础知识
- 编程语言类型
  - 编程语言分类
  - 高级语言分类
- 跨平台
- 运行时与虚拟机
- 内存管理和垃圾回收
Java字节码技术
- 简介
- 获取字节码清单
- 解读字节码清单
- 查看class文件中的常量池信息
N就是常量编号，该文件中其他地方可以引用
1 = Methodref #6.#15 // java/lang/Object.”“:()V
2 = Fieldref #16.#17 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3 = String #18 // Hello JVM
4 = Methodref #19.#20 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
5 = Class #21 // Hello
6 = Class #22 // java/lang/Object
7 = Utf8
8 = Utf8 ()V
9 = Utf8 Code
10 = Utf8 LineNumberTable
11 = Utf8 main
12 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
13 = Utf8 SourceFile
14 = Utf8 Hello.java
15 = NameAndType #7:#8 // ““:()V
16 = Class #23 // java/lang/System
17 = NameAndType #24:#25 // out:Ljava/io/PrintStream;
18 = Utf8 Hello JVM
19 = Class #26 // java/io/PrintStream
20 = NameAndType #27:#28 // println:(Ljava/lang/String;)V
21 = Utf8 Hello
22 = Utf8 java/lang/Object
23 = Utf8 java/lang/System
24 = Utf8 out
25 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
26 = Utf8 java/io/PrintStream
27 = Utf8 println
28 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V
- 线程栈与字节码执行模型
- 方法体中的字节码解读
- 对象初始化指令
- 栈内存操作指令
情景1: value1, value2, and value3都是分组1的值(32位元素)
情景2: value1 是分组2的值(64位,long或double), value2 是分组1的值(32位元素)
- 局部变量表
- 流程控制指令
- 方法调用指令和参数传递
- invokedynamic
Java类加载器
- 类的生命周期和加载过程
- 类加载时机
- 类加载器机制
- 自定义类加载器示例
Java内存模型JMM
- JVM内存结构
- 栈内存结构
- 堆内存结构
- CPU指令与乱序执行
- JMM简介
- 内存屏障简介
LoadLoad 屏障前的Load指令执行完才能执行屏障后的Load指令
StoreStore
LoadStore 遇到此屏障 CPU短暂屏蔽掉指令重排功能
StoreLoad 屏障之前执行所有的Store，屏障后执行Load都能获取到最新值，代价最高

环境准备

JDK
- JavaDevelopmentKit
- 开发Java应用程序的开发工具集合
  - JRE JavaRuntimeEnvironment
    - JVM JavaVirtualMachine虚拟机
      - JVM规范要求
      - 满足JVM规范要求的一种具体实现（一种计算机程序）
      - 一个JVM运行实例
    - 核心类
    - 支持文件
  - Java解释器
  - Java编译器Javac
  - Java归档jar
  - Java文档生成器Javadoc
- 分类
  - OpenJDK
  - OracleJDK
关系
- JDK = JRE + 开发工具
- JRE = JVM + 类库

Java开发.png

常用性能指标

解决流程

分析系统性能问题
1. 是否达到预期
2. 资源层面是否有问题
3. 系统业务流程、技术流程是否有问题
通过工具收集系统状态
1. 打点、日志
2. 监控关键性能指标数据
根据结果分析、调优
1. 资源配置调整
2. 持续监控和分析
  资源分类

CPU
- 浪费和过载都不是理想状态
内存
- 资源有限
- GC配置不合理容易产生OOM
IO
- 存储和网络
- 分布式环境
  常用套路
28原则
首先排查基础资源是否是瓶颈
- 如何成本可控，加资源是最快速的解决方案
- 如果资源没到瓶颈，需要进一步分析
与JVM相关的资源
- CPU
- 内存
常用手段
- 使用JDWP或开发工具做本地/远程调试
- 系统和JVM状态监控，收集指标
- 性能分析：CPU/内存分配
- 日志分析：Dump分析/GC日志
- 调整JVM启动参数/GC策略
  衡量系统性能维度
  常用分类1
延迟
- Latency
- 一般衡量的是响应时间ResponseTime
- 一般要看的也是95线、99线，即95%/99%用户的响应时间
- 用户访问量大的时候，对网络有任何的抖动都会导致最大响应时间非常大，这时就会忽略此指标
吞吐量
- Throughput
- 一般对交易类的系统使用TPS（每秒处理的事务数）来衡量
- 对于查询搜索类的也可以使用QPS（每秒处理的请求数）来衡量
系统容量
- Capacity
- 也叫设计容量，可以理解为硬件配置，成本约束
  常用分类2
业务需求指标
- 响应时间（RT）
- 吞吐量（TPS/QPS）
- 并发数
资源约束指标
- CPU
- 内存
- IO
  JVM基础知识
  编程语言类型
  编程语言分类
机器语言
- 二进制编码指令
- 执行速度快
汇编语言
- 指令编程
高级语言
- 开发人员友好
- 需要编译或解释执行，转换成汇编码或机器码交给计算机执行
  高级语言分类
虚拟机
- 有虚拟机 Java / Lua / Ruby等
- 无虚拟机 C / C++ / C# / Golang等
类型
- 静态类型 Java / C / C++
- 动态类型所有脚本类型的语言
执行环境
- 编译执行 Java / C / C++(编译产生的是中间类型的代码，不是机器码，Java编译成字节码 Java bytecode）
- 解释执行 JavaScript / Python 等
特点
- 面向过程 C 等
- 面向对象 Java /C++等
- 函数式编程 Lisp等
  跨平台
一般解释型语言都是跨平台
编译型存在两种级别的跨平台
- 源码跨平台
  - C++
  - 一次编写，到处编译（到处调试、找依赖、改配置、改版本）
- 二进制跨平台
  - Java字节码
  - 一次编写，一次编译
  - 运行时与虚拟机
JRE就是Java的运行时，包括虚拟机和相关的库
JVM启动时需要加载核心库，然后加载业务程序字节码

内存管理和垃圾回收
内存管理
- 申请
- 压缩
- 回收
JVM在代码创建对象时分配新内存，并使用GC算法自动进行垃圾回收
分类
- C，相信程序员，惯着程序员，内存完全有程序员管理，但内存泄漏、野指针等问题多
- JAVA，不相信程序员，但惯着程序员，由GC进行管理，但会stop the world
- Rust，不相信程序员，也不惯着程序员，必须清晰的管理好自己的代码，否则不编译
  Java字节码技术
  简介
Java bytecode是JVM的指令集，作为中间代码交给JVM执行
由单字节(byte)的指令组成，理论上最多支持256个操作码(opcode)，实际上只用了200左右
操作码（指令）
- 类型前缀 ( i代表integer )
- 操作名称 ( iadd代表对整数进行加法运算)
根据指令的性质，主要分为四大类
- 栈操作指令，包括与局部变量交互的指令
- 对象操作指令，包括方法调用指令
- 流程控制指令
- 算术运算以及类型转换指令
- 执行专门任务的指令，比如同步指令synchronization，抛出异常指令throw 等
  获取字节码清单
javap工具获取class文件中的指令清单

javap专门用于反编译class文件

➜  Desktop javap -c Hello
Compiled from "Hello.java"
public class Hello {
public Hello();
  Code:
     0: aload_0
     1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
     4: return
public static void main(java.lang.String[]);
  Code:
     0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
     3: ldc           #3                  // String Hello JVM
     5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
     8: return
}

解读字节码清单

默认的构造函数，是Java编译器生成的，不是在运行时JVM自动生成的
- 构造函数都会先调用super类的构造函数
- 这不是JVM自动执行的，也是由指令控制的，所以默认构造函数里也有一些字节码指令
- 基本上这几条指令就是执行 super()
其中解析的java/lang/Object 就是默认继承的Object类

查看class文件中的常量池信息
常量池
- ConstantPool，大多数是指运行时常量池
- 主要是由class文件中的常量池结构体组成，使用编号的方式把用到的各类常量统一管理起来
- N就是常量编号，该文件中其他地方可以引用
- 查看常量池需要 -verbose
- = 等号就是分隔符 //代表注释 ```shell ➜ Desktop javap -c -verbose Hello Classfile /Users/prief/Desktop/Hello.class Last modified 2020-10-17; size 413 bytes MD5 checksum 84e6dff93470c06b67bbb3cc92a7e7e1 Compiled from “Hello.java” public class Hello minor version: 0 major version: 52 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER Constant pool:
  1 = Methodref #6.#15 // java/lang/Object.”“:()V
  2 = Fieldref #16.#17 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
  3 = String #18 // Hello JVM
  4 = Methodref #19.#20 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
  5 = Class #21 // Hello
  6 = Class #22 // java/lang/Object
  7 = Utf8
  8 = Utf8 ()V
  9 = Utf8 Code
  10 = Utf8 LineNumberTable
  11 = Utf8 main
  12 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
  13 = Utf8 SourceFile
  14 = Utf8 Hello.java
  15 = NameAndType #7:#8 // ““:()V
  16 = Class #23 // java/lang/System
  17 = NameAndType #24:#25 // out:Ljava/io/PrintStream;
  18 = Utf8 Hello JVM
  19 = Class #26 // java/io/PrintStream
  20 = NameAndType #27:#28 // println:(Ljava/lang/String;)V
  21 = Utf8 Hello
  22 = Utf8 java/lang/Object
  23 = Utf8 java/lang/System
  24 = Utf8 out
  25 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
  26 = Utf8 java/io/PrintStream
  27 = Utf8 println
  28 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V
  { public Hello(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=1, locals=1, args_size=1
```
0: aload_0
1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
```
  LineNumberTable: line 1: 0
public static void main(java.lang.String[]); descriptor: ([Ljava/lang/String;)V flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC Code:
```
stack=2, locals=1, args_size=1
   0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   3: ldc           #3                  // String Hello JVM
   5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   8: return
LineNumberTable:
  line 3: 0
  line 4: 8
```
} SourceFile: “Hello.java”
```
<a name="0m8ly"></a>
## 查看方法信息
```
public static void main(java.lang.String[]); descriptor: ([Ljava/lang/String;)V //这里是方法描述 flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC Code:
```
stack=2, locals=1, args_size=1
```
```
方法描述
- 小括号内是入参信息/形参信息
- 左方括号表示数组
- L表示对象
- 后面的java/lang/String就是类名称
- 小括号后面的V表示这个方法的返回值是void
方法的访问标志
- flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC 表示public 和static
Code
- stack 执行该方法时栈深度是2
- locals 需要局部变量表中保留1个槽位
- args_size 方法参数的个数
方法的签名包括
- 方法的修饰符
- 方法的名称
- 参数类型清单
- 返回值类型
默认生成的无参构造函数的参数个数不是0，1表示this
- 如果是静态方法则没有this引用
- 如果是非静态方法，this会被分配到局部变量表的0号槽位
- 对应反射编程的 Method#invoke(Object obj, Object… args)
- 对应JS中的 fn.apply(obj, args) && fn.call(obj, arg1, arg2…)
  线程栈与字节码执行模型
JVM是一台基于栈的计算机器
每个线程都有一个属于自己的线程栈 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
栈帧组成
- 操作数栈，是一个LIFO结构的栈，用于压入和弹出值，大小也在编译时确定
- 局部变量数组，也称局部变量表LocalVariableTable，包括方法的参数和局部变量，编译时已经确定
- class引用，指向当前方法在常量池中对应的class

栈帧.png

方法体中的字节码解读

 Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #3                  // String Hello JVM
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return

字节码指令前的数字
- 间隔不等是因为一部分操作码会附带有操作数，也会占用字节码数组中的空间
- new会占用3个槽位，一个放操作码指令自身，两个放操作数
- 每个操作码/指令都有对应的HEX字符串表示方式，可以在HEX Editor中查看
  对象初始化指令
  new
当同时看到new,dup,invokespecial指令在一起时，就是在创建类的实例对象
- new指令只是创建对象，但没有调用构造函数
- dup指令用于复制栈顶的值，构造函数返回后可以把实例赋值给某个字段
  - astore {N} 或 astore_{N} 赋值给局部变量，N表示位置
  - putfield 赋值给实例字段
  - putstatic 赋值给静态字段
- invokespecial指令用来调用某些特殊方法，当然这里就是调用构造函数
  init
调用构造函数前执行 init

clinit
如果尚未初始化，还可能需要类的静态初始化方法，即clinit
但clinit不能被直接调用，而是由这些指令触发
- new # 创建类的新实例
- getstatic # 访问静态字段
- putstatic # 访问静态字段
- invokestatic # 调用静态方法
  栈内存操作指令
swap 指令交换栈顶2个元素的值
dup 指令复制栈顶元素的值，并压入栈
pop 指令删除栈顶元素的值
dup_x1 指令复制栈顶元素的值，并插入最上面2个值的下方
```
..., value2, value1 →  
..., [value1,] value2, value1
```
dup2_x1 指令复制栈顶1个64位或2个32位的值，并将复制的值按照原始顺序插入原始值下面一个32位值的下方 ```

情景1: value1, value2, and value3都是分组1的值(32位元素)
…, value3, value2, value1 → …, [value2, value1,] value3, value2, value1

情景2: value1 是分组2的值(64位,long或double), value2 是分组1的值(32位元素)

…, value2, value1 → …, [value1,] value2, value1 ```

局部变量表

LocalVariableTable
stack主要用于执行指令，局部变量则用来保存中间结果
astore_1 指令将引用地址值 addr 存储 store到编号slot 为1的局部变量表 LocalVariableTable中
dstore 4 指令中的d 表示目标变量的类型是 double，保存到slot为4的局部变量表 LocalVariableTable中
store类的指令都会删除栈顶值
load 类的指令会将值从局部变量表压入栈，但并不删除局部变量表中的值

流程控制指令
主要用在分支和循环中，异常处理的语句也算流程控制
- if-then-else
- for/ while
- try / catch /throw
  方法调用指令和参数传递
invokespecial 指令调用构造函数，也可调用同一个类的private方法以及可见的超类方法
invokestatic 指令调用静态方法
invokevirtual 指令调用公共，受保护和打包私有方法，针对具体的类型方法表是固定的情况效率优于interface
invokeinterface 指令是当要调用的方法属于某个接口时

invokedynamic
JDK7增加的实现“动态类型语言”
也是JDK8支持lambda表达式的基础
不改变字节码的情况下，想调用一个类A的方法m，只有2个方法
- A a = new A(); a.m()
- A.class.getMethod.invoke反射调用
  Java类加载器
  类的生命周期和加载过程
加载
- 找到class文件
- 如果找不到二进制表示形式，则会抛出NoClassDefFound错误
校验
- 确保class文件里的字节流信息符合虚拟机要求，不会危害虚拟机安全
- 检查classfile的语义，判断常量池中的符号，执行类型检查，判断字节码的合法性
- 可能抛出VerifyError，ClassFormatError，UnsupportedClassVersionError，ClassCircularityError等
准备
- 创建静态字段并将其初始化为标准的默认值
- 分配方法表即在方法区中分配这些变量所使用的内存空间
解析
- 解析常量池
  - 类或接口的解析
  - 字段解析
  - 类方法解析
  - 接口方法解析
- 加载一个class时，需要加载所有的super类和super接口
初始化
- 必须在类的首次主动使用时才能执行类的初始化
- 类的初始化过程包括
  - 类构造方法
  - static 静态变量赋值语句
  - static 静态代码块
- java中初始化一个类，必然先初始化过java.lang.Object类
  类加载时机
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
子类的初始化会触发父类的初始化

类加载器机制
系统自带的类加载器
- 启动类加载器 BootstrapClassLoader
- 扩展类加载器 ExtClassLoader
- 应用类加载器 AppClassLoader
类加载机制3个特点
- 双亲委托，委托自己的父加载器加载
- 负责依赖，每个类都会加载自己的依赖
- 缓存加载，避免重复加载

类加载器.png
自定义加载器.png

自定义类加载器示例

对加载数据、加载数据的格式进行自定义处理
只要通过classloader返回一个Class实例即可
比如简单加密的字节码的类加载器，保护字节码文件不被直接破解

Java内存模型JMM

JVM内存结构
Java内存模型分为两个部分
- JVM内存结构
- JMM与线程规范
JVM内存结构
- 线程栈 ThreadStack
  - 保存了调用链上正在执行所有方法的局部变量
  - 每个线程都只能访问自己的线程栈
  - 每个线程都不能访问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，对其他线程不可见
  - 如果是对象引用，栈中的局部变量槽位中保留着对象的引用地址，实际对象的内容保存在堆中
  - 线程可以将一个原生变量值的副本传给另一个线程，但不能共享原生的局部变量本身
  - 总结：方法中使用的原生数据类型和对象引用地址存在栈上
- 堆内存 Heap
  - 堆内存中包含了代码中创建的所有对象，不管是哪个线程创建的
  - 不管是创建一个对象并把其赋值给局部变量，还是赋值给另一个对象的成员变量，创建的对象都会保存在堆内存中
  - 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
  - 类的静态变量和类定义一样都保存在堆中
  - 总结：对象、对象成员与类定义、静态变量都在堆上

栈内存结构

每启动一个线程，JVM就会在栈空间栈分配对应的线程栈，比如1M的空间（-Xss1m）
线程执行过程中，一般会有多个方法组成调用栈StackTrace
每执行一个方法都会创建对应的栈帧Frame

栈内存结构.png
栈帧.png

堆内存结构

堆内存.png

S0和S1就是SurvivorSpace存活区，用在GC算法里
TLAB是对新生代的优化，ThreadLocalAllocationBuffer，给每个线程一小块空间，创建的对象先在这里分配，满了再换，极大降低并发资源锁定的开销
Non-Heap本质也是Heap，只是不归GC管理
- metaspace以前叫持久代PermanentGeneration，Java8里换了名字叫Metaspace
- CSS CompressedClassSpace 存放class信息和metaspace有交叉
- CodeCache 存放JIT编译后的本地机器代码
  CPU指令与乱序执行
计算机支持的指令
- 精简指令集计算机RISC
  - ARM芯片，功耗低，运算能力较弱
- 复杂指令集计算机CISC
  - Intel的X86芯片系列，功耗高，性能强劲
    JMM简介
能被多个线程共享使用的内存称为“共享内存”或“堆内存”
所有的对象（包括内部的实例变量），static变量，以及数组，都必须放到堆内存中
局部变量，方法的入参/形参，异常处理语句的入参不允许在线程之间共享
多个线程同时对一个变量访问（读取/写入）时，这时候只要有某个线程执行的是写操作，那么就会发生“冲突”
可以被其他线程影响或感知的操作，称为线程间的交互行为，可分为
- 读取
- 写入
- 同步操作
  - volatile变量的读写
  - monitor的锁定与解锁
  - 线程的起始操作与结尾操作
  - 线程的启动与结束
- 外部操作
  - 对线程执行环境之外的操作，比如停止其他线程等
    内存屏障简介
控制可见性
- 读屏障
- 写屏障
目的用来短暂屏蔽CPU的指令重排功能，和CPU约定，看见这些指令就不要打乱操作顺序
常见的内存屏障
- LoadLoad 屏障前的Load指令执行完才能执行屏障后的Load指令
- StoreStore
- LoadStore 遇到此屏障 CPU短暂屏蔽掉指令重排功能
- StoreLoad 屏障之前执行所有的Store，屏障后执行Load都能获取到最新值，代价最高

JVM预习

环境准备

常用性能指标

解决流程

资源分类

常用套路

衡量系统性能维度

常用分类1

常用分类2

JVM基础知识

编程语言类型

编程语言分类

高级语言分类

跨平台

运行时与虚拟机

内存管理和垃圾回收

Java字节码技术

简介

获取字节码清单

解读字节码清单

查看class文件中的常量池信息

N就是常量编号，该文件中其他地方可以引用

1 = Methodref #6.#15 // java/lang/Object.”“:()V

2 = Fieldref #16.#17 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;

3 = String #18 // Hello JVM

4 = Methodref #19.#20 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V

5 = Class #21 // Hello

6 = Class #22 // java/lang/Object

7 = Utf8

8 = Utf8 ()V

9 = Utf8 Code

10 = Utf8 LineNumberTable

11 = Utf8 main

12 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V

13 = Utf8 SourceFile

14 = Utf8 Hello.java

15 = NameAndType #7:#8 // ““:()V

16 = Class #23 // java/lang/System

17 = NameAndType #24:#25 // out:Ljava/io/PrintStream;

18 = Utf8 Hello JVM

19 = Class #26 // java/io/PrintStream

20 = NameAndType #27:#28 // println:(Ljava/lang/String;)V

21 = Utf8 Hello

22 = Utf8 java/lang/Object

23 = Utf8 java/lang/System

24 = Utf8 out

25 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;

26 = Utf8 java/io/PrintStream

27 = Utf8 println

28 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V

线程栈与字节码执行模型

方法体中的字节码解读

对象初始化指令

new

init

clinit

栈内存操作指令

情景1: value1, value2, and value3都是分组1的值(32位元素)

情景2: value1 是分组2的值(64位,long或double), value2 是分组1的值(32位元素)

局部变量表

流程控制指令

方法调用指令和参数传递

invokedynamic

Java类加载器

类的生命周期和加载过程

类加载时机

类加载器机制

自定义类加载器示例

Java内存模型JMM

JVM内存结构

栈内存结构

堆内存结构

CPU指令与乱序执行

JMM简介

内存屏障简介

LoadLoad 屏障前的Load指令执行完才能执行屏障后的Load指令

StoreStore

LoadStore 遇到此屏障 CPU短暂屏蔽掉指令重排功能

StoreLoad 屏障之前执行所有的Store，屏障后执行Load都能获取到最新值，代价最高