摘要
JVM核心技术，让Java更加神奇！从字节码技术到类加载器，再到内存结构和启动参数，每个细节都影响着程序的运行。让我们一起探索JVM的奥秘吧！
正文
JVM核心技术（第一篇）
目录
- Java基础知识
- 一. 字节码技术
- 二、JVM类加载器
- 类的加载时机
- 三、JVM内存结构
- 四、JVM启动参数
- 4.1 系统属性参数
- 4.2 运行模式
- 4.3 堆内存
- 4.4 GC相关
- 4.5 分析诊断
- 4.6 JavaAgent
Java基础知识
java是一个面向对象的，静态类型，编译执行，有VM/GC和运行时的跨平台的高级语言。
一. 字节码技术
将写好的java文件编译成class
javac .\TestJvm.java
查看字节码
javap -c TestJVM
查看更详细的字节码
javap -c -verbose TestJVM
字节码的运行时结构
JVM是一个基于栈的计算机器。每个线程都有他所对应的线程栈，用于存储栈帧。每一次方法调用，都会创建一个栈帧。
栈帧由操作数栈，局部变量数组以及一个Class引用（也叫动态链接）组成。
-
操作数栈：每个帧都包含了一个后入先出的栈，称为操作数栈。
-
局部变量表：用于存放方法参数和内部定义的局部变量。局部变量表的容量以变量槽（Slot）为单位，一个Slot只能存放一个boolean、byte、char、shoert、int、float、reference或returnAddress类型的数据
-
Class引用：指向当前方法在运行时常量池中对应的class
二、JVM类加载器
类的生命周期
- 加载：找class文件
- 校验 ：验证格式，依赖
- 准备 ：静态字段，方法表
- 解析：符号解析为引用
- 初始化 ：构造器，静态变量赋值，静态代码块
- 使用
- 卸载
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，那么直接实现或者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，其实跟前面一样，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
- 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，也不会触
发类初始化，其实这个参数是告诉虚拟机，是否要对类进行初始化。Class.forName
（“jvm.Hello”）默认会加载 Hello 类。 - 通过 ClassLoader 默认的 loadClass 方法，也不会触发初始化动作（加载了，但是
不初始化）
三类类加载器
从上到下依次是：
- 启动类加载器（BootstrapClassLoader）
- 扩展类加载器（ExtClassLoader）
- 应用类加载器（AppClassLoader）
类加载器特点：
双亲委派、负责依赖、缓存加载
加载过程：如一个Hello.class文件，不考虑自定义加载器，首先会在AppClassLoader中检查是否已经加载过，如果加载过就不加载了。如果没有加载过，就会拿到父加载器，那么父加载器（ExtClassLoader）就会检查是否加载过，如果没有，就再往上，让BootStrapClassLoader检查是否加载过。
如果还是没有，因为他的上面已经没有父加载器了，那么他就开始自己加载，如果能加载，他就自己加载。不能加载，就下沉到子加载器去加载，一直到最底层，如果没有类加载器能加载就抛出异常ClassNotFoundException
添加引用类的几种方式
- 放到JDK的lib/ext下，或者-Djava.ext.dirs
- java -cp/classpath 或者将class文件放在当前路径
- 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
public class Test1 {
public static void main(String[] args) throws MalformedURLException, NoSuchMethodException, ClassNotFoundException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {
String appurl="file:/d:/logs/";
URLClassLoader classLoader = (URLClassLoader)Test1.class.getClassLoader();
Method addURL = URLClassLoader.class.getDeclaredMethod("addURL", URL.class);
addURL.setAccessible(true);
URL url=new URL(appurl);
addURL.invoke(classLoader,url);
Class.forName("Test2");
}
}
我将Test2.class文件放在d盘的logs文件夹下。
三、JVM内存结构
Jvm整体结构：
可以看到，我们的JVM进程里面除了堆还有栈、非堆、JVM自身。而我们的操作系统里还有其他进程。
所以我们设置堆内存的时候，不能设置为机器的内存大小，如4G的机器千万不能把-Xms -Xmx 设置为4G，一般设置为机器内存的60%-70%。
JVM栈结构：
栈：线程栈，也叫Java方法栈，每启动一个线程就会创建一个栈，如果使用了JNI方法，就会分配一个单独的本地方法栈。线程执行过程中，一般会有多个方法组成调用关系，如方法A调用方法B，每执行到一个方法，就会创建一个栈帧。
所有的原生对象类型（如int,long）和对象引用地址都在栈上存储。
JVM堆结构：
堆：对象、对象成员以及类定义、静态变量都在堆上。
什么是JMM？
Java内存模型。明确定义了不同的线程之间，通过哪些方式，在什么时候可以看到其他线程保存在共享变量中的值；以及如何对共享变量进行同步。JMM规范的是线程间的交互操作。
从抽象上来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系。
四、JVM启动参数
JVM启动参数有如下几类：
-
以-开头为标准参数，所有的 JVM 都要实现这些参数，并且向后兼容。如：++-server++
-
以-D开头的，设置系统属性 如：++-Dfile.encoding=UTF-8++
-
以 -X 开头为非标准参数， 基本都是传给 JVM 的，
默认 JVM 实现这些参数的功能，但是并不保证所
有 JVM 实现都满足，且不保证向后兼容。 可以使
用 java -X 命令来查看当前 JVM 支持的非标准参 如：++-Xmx8g++
数。 -
以 –XX：开头为非稳定参数, 专门用于控制 JVM
的行为，跟具体的 JVM 实现有关，随时可能会在
下个版本取消。 -
-XX：+-Flags 形式, +- 是对布尔值进行开关 如：++-XX:+UseG1GC++
-
-XX：key=value 形式, 指定某个选项的值 如：++-XX:MaxPermSize=256m++
4.1 系统属性参数
-Dfile.encoding=UTF-8 -Duser.timezone=GMT+08
或者通过
System.setProperty(“a”,”A100″);设定，Linux上还可以通过a=A100 java XXX 设定。
4.2 运行模式
- -server：设置 JVM 使用 server 模式，特点是启动速度比较慢，但运行时性能和内存管理效率
很高，适用于生产环境。在具有 64 位能力的 JDK 环境下将默认启用该模式，而忽略 -client 参
数。 - -client ：JDK1.7 之前在32位的 x86 机器上的默认值是 -client 选项。设置 JVM 使用 client 模
式，特点是启动速度比较快，但运行时性能和内存管理效率不高，通常用于客户端应用程序或
者 PC 应用开发和调试。此外，我们知道 JVM 加载字节码后，可以解释执行，也可以编译成本
地代码再执行，所以可以配置 JVM 对字节码的处理模式： - -Xint：在解释模式（interpreted mode）下运行，-Xint 标记会强制 JVM 解释执行所有的字节
码，这当然会降低运行速度，通常低10倍或更多。 - -Xcomp：-Xcomp 参数与-Xint 正好相反，JVM 在第一次使用时会把所有的字节码编译成本地
代码，从而带来最大程度的优化。【注意预热】 - -Xmixed：-Xmixed 是混合模式，将解释模式和编译模式进行混合使用，有 JVM 自己决定，这
是 JVM 的默认模式，也是推荐模式。 我们使用 java -version 可以看到 mixed mode 等信息。
4.3 堆内存
-Xmx, 指定最大堆内存。 如 -Xmx4g. 这只是限制了 Heap 部分的最大值为4g。
这个内存不包括栈内存，也不包括堆外使用的内存。
-Xms, 指定堆内存空间的初始大小。 如 -Xms4g。 而且指定的内存大小，并
不是操作系统实际分配的初始值，而是GC先规划好，用到才分配。 专用服务器上需要保持 –Xms 和 –Xmx 一致，否则应用刚启动可能就有好几个 FullGC。
当两者配置不一致时，堆内存扩容可能会导致性能抖动。
-Xmn, 等价于 -XX:NewSize，使用 G1 垃圾收集器 不应该设置该选项，在其他的某些业务场景下可以设置。官方建议设置为 -Xmx 的 1/2 ~ 1/4.
-XX：MaxPermSize=size, 这是 JDK1.7 之前使用的。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, 一般不允许设置该选项。
-XX：MaxDirectMemorySize=size，系统可以使用的最大堆外内存，这个参数跟 -Dsun.nio.MaxDirectMemorySize 效果相同。
-Xss, 设置每个线程栈的字节数。 例如 -Xss1m指定线程栈为1MB，与-XX:ThreadStackSize=1m 等价
4.4 GC相关
-XX：+UseG1GC：使用 G1 垃圾回收器
-XX：+UseConcMarkSweepGC：使用 CMS 垃圾回收器
-XX：+UseSerialGC：使用串行垃圾回收器
-XX：+UseParallelGC：使用并行垃圾回收器
// Java 11+
-XX：+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC
// Java 12+
-XX：+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseShenandoahGC
4.5 分析诊断
-XX：+-HeapDumpOnOutOfMemoryError 选项, 当 OutOfMemoryError 产生，即内存溢出(堆内存或持久代)时自动 Dump 堆内存。
示例用法： java -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -Xmx256m ConsumeHeap
-XX：HeapDumpPath 选项, 与 HeapDumpOnOutOfMemoryError 搭配使用, 指定内存溢出时 Dump 文件的目录。
如果没有指定则默认为启动 Java 程序的工作目录。
示例用法： java -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/usr/local/ ConsumeHeap
自动 Dump 的 hprof 文件会存储到 /usr/local/ 目录下。
-XX：OnError 选项, 发生致命错误时（fatal error）执行的脚本。
例如, 写一个脚本来记录出错时间, 执行一些命令, 或者 curl 一下某个在线报警的 url.
示例用法：java -XX:OnError=”gdb – %p” MyApp
可以发现有一个 %p 的格式化字符串，表示进程 PID。
-XX：OnOutOfMemoryError 选项, 抛出 OutOfMemoryError 错误时执行的脚本。
-XX：ErrorFile=filename 选项, 致命错误的日志文件名,绝对路径或者相对路径。
-Xdebug -Xrunjdwp:transport=dt_socket,server=y,suspend=n,address=1506，远程调试
4.6 JavaAgent
Agent 是 JVM 中的一项黑科技, 可以通过无侵入方式来做很多事情，比如注入 AOP 代码，执行统
计等等，权限非常大。这里简单介绍一下配置选项，详细功能需要专门来讲。
设置 agent 的语法如下:
-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, 比如 pinpoint.jar 等等。
-Xnoagent 则是禁用所有 agent。
以下示例开启CPU使用时间抽样分析:JAVA_OPTS=”-agentlib:hprof=cpu=samples,file=cpu.samples.log
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