JVM基础知识

编程语言

分类
- 面向过程、面向对象、面向函数
- 静态类型、动态类型
- 编译执行、解释执行
- 有虚拟机、无虚拟机
- 有GC、无GC（GarbageCollection）
发展过程
- 机器语言
- 编程语言
- 高级语言
  - Java是面向对象、静态类型、编译执行、有VM、有GC的运行时跨平台的高级语言
跨平台
- 源码跨平台

源码跨平台.png

二进制跨平台

二进制跨平台.png

Java、C++、Rust区别
- C/C++ 相信程序员，并且惯着程序员，让程序员自己管理内存，但很容易造成内存泄漏，导致程序崩溃
- Java/Golang 完全不相信程序员，但惯着程序员，所有内存都有JVM统一管理，程序员友好
- Rust语言既不相信程序员，也不惯着程序员，写代码时就要管理好内存，不易理解学习成本高
  字节码、类加载器、虚拟机
  
  Java字节码技术
  字节码
Java bytecode是由单字节的指令组成
理论上支持256个操作码opcode
实际只用了200多个opcode
根据指令的性质，主要分4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
- 程序流程控制指令
- 算术运算以及类型转换指令
  生成字节码
```java package demo.jvm0104;

public class HelloBytecode{ public static void main(String[] args){ HelloBytecode obj = new HelloBytecode(); } }

```shell
# 编译
javac demo/jvm0104/HelloBytecode.java

# 查看字节码
javap -c -verbose demo.jvm0104.HelloBytecode

字节码运行时结构

JVM是一台基于栈的计算机器
每个线程都有属于自己的线程栈JVM Stack，用于存储栈帧 Frame
每一次方法调用JVM都会自动产生一个栈帧
栈帧组成
- 操作数栈
- 局部变量数组
- Class引用，指向常量池中对应的Class

字节码运行时结构.png

栈计算

栈计算.png

助记符到二进制

字节码单字节指令对应的语义化的表示为助记符

助记符到二进制.png

数值处理与本地变量表

红框中的store/load _后面的1、2、3对应本地变量表中的槽位slot中的1、2、3
1、2、3都是简写指令，所以直接用_连接，超过3后分开写，如24行的 dstore 4
istore/iload 对应 int类型的存储到本地变量表和加载到栈
astore/aload 对应对象类型的存储到本地变量表和加载到栈
iconst_1 / iconst_2 表示常量 1 和 2 ，对应代码中的1 和 2
dstore 4 表示把 double 类型的变量写到本地变量表中4号 slot 中，对应的变量名为avg 类型是 double
i2d 表示 int转换称 double

本地变量表.png

算术操作与类型转换指令

Java本身有比较多的类型但在字节码中只有5个类型，大都被int表示
- int
- float
- long
- double
- a 表示对象引用
一个int 32位 4个byte
一个float 32位 4个byte
一个long 64位 8个byte
一个double 64位 8个byte

算术操作与类型转换.png

程序流程控制指令

if_icmpge 43 判断 int 对比 greater equal ，如果满足则jump到#43，如果不满足则继续向下
iinc int increase
goto 18 跳转到#18

循环控制.png

方法调用指令

invokestatic
- 调用某个类的静态方法，速度最快
invokespecial
- 调用构造方法，也可以调用同一个类的private方法，以及可见的超类方法
invokevirtual
- 如果是具体类型的目标对象，用于调用public、protected和package级的private方法
- virtual虚方法，Java中都是虚方法，子类重写了父类的方法后都无法再调用到父类的方法
invokeinterface
- 通过接口引用来调用方法时会编译成此指令
invokedynamic
- JDK7新增的指令，实现动态类型语言支持而进行的升级，同时也是JDK8以后支持的lambda表达式的基础
  相关示例
stack 表示运行时需要的栈深度
locals 表示局部变量表中的槽位数
args_size 表示参数个数
程序计数器PC表示运行时代码执行到第几行（偏移量）

方法操作例子.png

JVM类加载器

类的生命周期

加载 Loading ：找到class文件
验证 Verification：验证格式、依赖
准备 Preparation：静态字段、方法表
解析 Resolution：符号解析为引用
初始化 Initialization：构造器、静态变量赋值、静态代码块
使用 Using
卸载 Unloading

类的生命周期.png

类的加载时机

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；
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；
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；
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；
子类的初始化会触发父类的初始化；
如果一个接口定义了default方法，那么直接实现或间接实现该接口的类的初始化，会触发该接口的初始化；
使用反射API对某个类进行反射调用时，初始化这个类，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；
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）
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；
定义对象数组，不会触发该类的初始化，数组中只是存在对象指针；
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；
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；
通过Class.forName加载指定类时，如果指定参数initialize为false时，不会初始化；
通过ClassLoader默认的loadClass方法，不会触发初始化动作，只加载不初始化；
三类加载器

启动类加载器 BootstrapClassLoader
- 加载JVM依赖的核心系统类
- java.lang / java.util
扩展类加载器 ExtClassLoader
- JDK配置的扩展类路径里的jar或class
应用类加载器 AppClassLoader
- 应用的jar或class

类加载器.png

自定义加载器

自定义加载器可以对同一个类产生不同的作用
实现同一个类的模块化、版本化管理
扩展加载器和应用加载器在Java9之前都是通过URLClassLoader加载的，URLClassLoader是通过ClassLoader加载的
可以显示当前ClassLoader都加载了哪些Jar
文件夹内所有的class文件和资源文件用zip方式压缩到一起就是jar包
自定义classLoader
加载器特点
双亲委托（向上委托）
负责依赖
缓存加载

添加引用类的几种方式
放到JDK的lib/ext目录下，或者 -Djava.ext.dirs
java -cp/classpath 或者class文件放到当前路径
自定义classLoader加载
拿到当前执行类的ClassLoader，反射调用addUrl方法添加Jar或路径（JDK9之后无效，但有更简单的Class.forName(className,initFlag,classLoader)方法）

JVM内存模型

内存堆栈结构

每个线程都只能访问自己都线程栈
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类型的变量值的副本传给另一个线程，但不能共享原生类型的局部变量
堆内存中包含了Java代码中创建的所有对象（包括包装类型Byte/Long等），不管是哪个线程创建的
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，创建的对象都保存在堆内存中

JVM内存结构.png

如果是原生类型的局部变量，那么他的内容就全部保存在线程栈上
如果是对象引用，栈中局部变量槽位中保存的对象的引用地址，对象的实际内容保存在堆上
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类型还是引用类型
类的静态变量则和类定义一样都保存在堆中

总结
- 方法中使用的原生类型和对象引用地址在栈上存储
- 对象、对象的成员、类、类的静态变量在堆上存储
- 堆内存又称为“共享堆”，堆中所有的对象都可以被所有线程访问
- 如果一个线程可以访问某个对象，就可以访问对象的成员变量
- 如果两个线程同时调用某个对象的同一个方法，则他们都可以访问到这个对象的成员变量，但每个线程的局部变量副本是独立的
  内存整体结构
每启动一个线程，JVM就会在栈空间分配对应的线程栈，比如1MB的线程栈空间（-Xss1m）
- JVM常见的三个参数
  - Xmx 最大堆内存（第二个Heap的内存通常设置总内存70%，栈/非堆/堆外/JVM自身/系统占30%）
  - Xms 最小堆内存（第二个Heap的内存，JVM启动起来就分配的内存，通常和Xmx一致）
  - Xss 栈空间大小
线程栈也叫方法栈，如果使用了JNI方法，则会分配一个单独的本地方法栈（NativeStack）
线程执行过程中，一般有多个方法组成调用栈StackTrace，每执行到一个方法，就会创建对应的栈帧Frame

内存整体结构.png

栈内存结构

栈帧是一个逻辑上的概念，具体的大小在一个方法编写完成后基本能确定
- 返回值需要空间存放
- 局部变量需要空间
- 操作数栈
- class指针，标识这个栈帧对应的是哪个类的方法，指向非堆的Class对象

栈内存结构.png

堆内存结构

堆内存是所有线程共用的内存空间
JVM将Heap内存分为两部分
- 年轻代 Young generation
  - 伊甸区新生儿Eden space
  - 存活区Survivor space（S0S1总有一个是空，YoungGC时就是清空一个，把留存的整理到另一个）
    - S0
    - S1
- 老年代 Old generation也叫Tenured
  - 年轻代里的对象被几次GC后仍然存活的转移到老年代
  - 超大对象的分配直接分配到老年代
Non-Heap本质上还是Heap，只是一般不归GC管理，里面划分了3个内存池
- Metaspace
  - 之前叫持久代Permanent generation
  - java8后换了名字 Metaspace
  - 对象的结构，常量池
- CSS CompressedClassSpace，存放class信息的，和Metasapce有交叉
- CodeCache，存放JIT编译后的本地机器码

堆内存结构.png

CPU与内存行为

CPU乱序执行（多核并发乱序执行片段）
volatile关键字
原子性操作
内存屏障

cpu与内存行为.png

总结

JMM JavaMemoryModel
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他线程保存到共享变量中的值，以及如何在必要的时候对共享变量的访问进行同步，屏蔽各种硬件和操作系统之间的内存访问差异，实现Java并发程序真正的跨平台
JMM规范的是线程间的交互操作，不管线程内局部变量的操作
所有的对象、对象的成员、static变量，数组都必须保存在堆内存中
局部变量、方法形参、入参、异常处理语句的入参不允许在线程间共享，不受内存模型的影响
多个线程同时对一个变量访问时，只要有一个线程执行的是写操作，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，主要有
- 读取
- 写入
- 同步操作
  - 对volatile变量的读写
  - 对monitor管程的锁定与解锁
  - 线程的起始操作与结尾操作
  - 线程启动与结束
- 外部操作
  - 对线程执行环境之外的操作，如停止其他线程等
    JVM启动参数
    命令行分类
VM Options
- java命令启动时传入的选项options
- -Dfile.encoding=UTF-8 -Da=1
Program Arguments
- java命令启动时传入的参数args
- 对应main方法里的args参数
```
# java [options] classname [args]
# java [options] -jar filename [args]
# jps -v
# jps -m
```
  形式分类
标准参数
- 所有JVM都要实现，并且向后兼容
- -D设置系统属性
非标准参数
- 默认JVM实现这些参数的功能，但不保证所有的JVM都完全实现，也不保证向后兼容
- -X开头的基本都是传给JVM的
- java -X查看当前JVM支持的非标准参数
非稳定参数
- 专门用于控制JVM的行为，跟具体的JVM实现有关，随时可能被取消
- -XX: [+-]Flags形式，+-是对布尔值进行开关
- -XX: key=value形式，指定某个选项的值
  作用分类
系统属性参数
- -D
- 命令行：A=100 java …
- System.getProperty(“A”)/System.setProperty(“A”,”100”)
- 设置环境变量
运行模式参数
- -server
  - 启动速度慢
  - 运行时性能和内存管理效率很高
  - 适用于生产环境
  - 64位机器上默认此模式
- -client
  - 启动速度快
  - 运行时性能和内存管理效率不高
  - 适用于调试环境
- -Xint
  - 解释模式运行
  - JVM解释执行所有的字节码
  - 降低运行速度
- -Xcomp
  - 编译模式执行
  - JVM第一次使用时会把所有的字节码编译成本地代码
  - 提高运行效率，但要注意预热
- -Xmixed
  - 解释模式和编译模式混合
  - JVM默认模式，也是推荐模式
  - java -version可以看到此模式信息
堆内存设置参数
- -Xmx
  - 指定最大堆内存，比如-Xmx4g
  - 限制了Heap部分最大值为4g，这个不包括栈内存和堆外内存
- -Xms
  - 指定初始堆内存大小，比如-Xms4g
  - 并不是操作系统立刻分配初始值，而是GC先规划好，用到时才分配
  - 服务器上需要-Xms和-Xmx一致，否则应用刚启动可能就有很多FullGC，堆内存扩容时也会性能抖动
- -Xss
  - 设置每个线程栈的大小
  - 如-Xss1m就是指定线程栈为1MB
  - 与-XX:ThreadStackSize=1m等价
- -Xmn
  - 等价于-XX:NewSize
  - 使用G1垃圾回收器不应该设置此选项
  - 官方建议设置为-Xmx的1/2-1/4
- -XX:MaxPermSize=size
  - JDK1.7之前使用的，对应PermanentGeneration大小
  - Java8默认允许的Meta空间无限大，此参数无效
- -XX:MaxMetaspaceSize=size
  - Java8默认不限制Meta空间，一般不允许设置此选项
- -XX:MaxDirectMemorySize=size
  - 系统可以使用的最大堆外内存
  - 这个参数和-Dsun.nio.MaxDirectMemorySize效果相同
GC设置参数
- -XX:+UseSerialGC 使用串行垃圾回收器
- -XX:+UseParallelGC 使用并行垃圾回收器
- -XX:+UseG1GC 使用G1垃圾回收器
- -XX:+UseConcMarkSweepGC 使用CMS垃圾回收器
- -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC // Java11
- -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseShenandoahGC // Java12+
分析诊断参数
- -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError OOM时自动Dump堆内存
- -XX:HeapDumpPath=PATH 与上面的开关配合使用，指定Dump路径，默认为java启动目录
- -XX:OnError
  - 发生致命错误FatalError时执行的脚本，例如执行一些命令或curl一个请求
  - java -XX:OnError=”gdb -%p” MyApp # %p表示PID
- -XX:OnOutOfMemoryError 发生OOM时执行的脚本
- -XX:ErrorFile=filename 指定致命错误的日志文件名
JavaAgent参数
- Agent是JVM中一项黑科技，可以通过无侵入方式做很多事情
  - 注入AOP代码
  - 执行统计
- -agentlib:libname[=options] 启用native方式的agent，参考LD_LIBRARY_PATH路径
- -agentpath:pathname[=options] 启用native方式的agent
- -javaagent:jarpath[=options] 启用外部的agent库
- -Xnoagent 禁用所有agent
- JAVA_OPTS=”-agentlib:hprof=cpu=samples,file=cpu.samples.log” 开启CPU使用时间抽样分析

基础知识

JVM基础知识

编程语言

字节码、类加载器、虚拟机

Java字节码技术

字节码

生成字节码

字节码运行时结构

助记符到二进制

数值处理与本地变量表

算术操作与类型转换指令

程序流程控制指令

方法调用指令

相关示例

JVM类加载器

类的生命周期

类的加载时机

不会初始化（可能会加载）

三类加载器

自定义加载器

加载器特点

添加引用类的几种方式

JVM内存模型

内存堆栈结构

内存整体结构

栈内存结构

堆内存结构

CPU与内存行为

总结

JVM启动参数

命令行分类

形式分类

作用分类