技術干貨：JVM架構體系與GC命令全梳理，建議收藏

JVM運行時資料區

Overview

Java虛擬機Java virtual machine(JVM) 是物理機器的軟體實作，java編譯器javac將原始碼檔案.java編譯成位元組碼檔案.class，然后這個位元組碼檔案.class被放到JVM中，裝載并執行位元組碼檔案.class，JVM架構圖如下，

JVM Architecture

JVM架構體系

垃圾回收(garbage collection)：負責回收堆記憶體heap中沒有被使用的物件

判斷物件是否存活，可達性檢測

• 參考計數演算法：給物件添加一個參考計數器，每當有一個地方參考它時，計數器值就加1，當參考失效時，計數器值就減1，任何時刻計數器為0的物件就是不可能再被使用的
• 根搜索演算法：通過一系列名為“GC Roots”的物件作為起始點，從這些節點開始向下搜索，搜索所走過的路徑稱為參考鏈，當一個物件到 GC Roots 沒有任何參考鏈相連時，就證明此物件是不可用的

垃圾回收演算法

• 標記-清除演算法Mark-Sweep：首先標記出所有需要回收的物件，在標記完成后統一回收所有被標記的物件
• 效率問題：標記和清除動作都不是高效動作
• 空間問題：標記清除之后產生大量不連續的記憶體碎片，碎片太多導致分配較大物件時無法找到足夠的連續記憶體而不得不提前觸發另一次gc
• 復制演算法Copying：它將可用記憶體按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊，當這一塊的記憶體用完了，就將還存活著的物件復制到另外一塊上面，然后再把已使用過的記憶體空間一次清理掉

可用記憶體縮小為原來的一半

每次收集時，所有的標記物件都要被拷貝，從而導致一些生命周期很長的物件被來回拷貝多次，消耗大量的時間 ->分代回收來解決這個問題

分代回收演算法Generational Collecting：根據物件存活周期的不同將記憶體劃分為幾塊新生代：記憶體分為一塊較大的Eden空間和兩塊較小的Survivor空間，新建object在Eden，Eden滿時觸發YGC，Eden中存活物件被移動到S0區，清空Eden;等Eden再滿載YGC，Eden和S0中的存活物件被復制到S1(復制演算法保證了S1中來自Eden和S0兩部分的存活物件占用連續的記憶體空間，避免了碎片化);清空Eden和S0，下一輪的時候S0和S1交換角色，如此回圈往復，如果物件的復制次數達到15次，該物件就會被送到老年代，老年代：物件存活率高

垃圾回收器(垃圾回收演算法的具體實作)

并行與并發

• 并行Parallel：指多條垃圾收集執行緒并行作業，但此時用戶執行緒仍然處于等待狀態
• 并發Concurrent：指用戶執行緒與垃圾收集執行緒同時執行，用戶程式在繼續運行，而垃圾收集程式運行于另一個CPU上
• 新生代minor gc：新生代記憶體不是很大，miinor gc回收速度一般比較快
• 老年代major gc/ full gc：老年代記憶體一般比較大，用于快取大物件，所以回收速度約minor gc的10倍以上
• 吞吐量throughput：JVM總共運行了100分鐘，其中垃圾收集花掉1分鐘，那吞吐量就是99%，即(all-gc)/all(for batch pipeline)
• 停頓時間：垃圾回收器正在運行時，應用程式的暫停時間(for streaming pipeline)

回收器型別

1. NEW
2. serial，單執行緒
3. parNew，serial多執行緒版
4. Parallel Scavenge，復制演算法，并行，優先保證吞吐量，不顧及用戶STW感受，吞吐量方面優化的系統，停頓時間長是可以接收的，
5. OLD/tenured
6. Serial Old，Serial回收器的老年代版本，單執行緒，標記-整理演算法
7. Parallel Old，Parallel Scavenge回收器的老年代版本，多執行緒，標記-整理演算法
8. Concurrent Mark Sweep, CMS：優先最短回收停頓時間，用戶體驗好，標記-清除演算法
9. NEW and OLD
10. 關鍵點：region記憶體劃分，優先級區域回收方式，優先回收價值最大的region
11. garbage first, G1：它將整個Java堆劃分為多個大小相等的獨立區域(Region)，雖然還保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔離的了，它們都是一部分Region(不需要連續)的集合，

類裝載子系統(classloader sub-system)：定位和匯入二進制class檔案，校驗匯入類的正確性，為類變數分配并初始化記憶體，決議符號參考

• 啟動類加載器bootstrap classloader，負責加載JAVA_HOME/lib下的合法類檔案
• 擴展類加載器extension classloader，負責加載JAVA_HOME/lib/ext下的合法類檔案
• 應用程式類加載器application classloader，負責加載用戶路徑classpath下的合法類檔案
• 自定義類加載器user defined classloader，class MyClassLoader extends ClassLoader
• JVM通過雙親委派模型進行類的加載，先交給其最底層父類去加載，父類無法加載時才自己試著去加載，if(parent != null) parent.loadclass(name) 遞回recursion，application classloader -> extension classloader -> bootstrap classloader
• 先看user defined classloader是否快取了，如果快取了，就直接回傳，如果沒有，委派父classloader去加載，如果父快取了，就直接回傳，否則再委派給父classloader;直到最后的bootstrap classloader，如果其快取找不到，則在其路徑下找，找到則至二級回傳，否則往其子類回傳，讓其子類在其路徑下找;最后又回到自定義classloader，如果還找不到就拋例外

執行引擎(execution engine)：執行classloader中的方法指令

• 解釋器Interpreter：讀取原始碼或位元組碼，并逐條直接執行(javac是在JVM外的)
• 即時編譯器Just-In-Time compiler/JIT: 讀取原始碼，更多情況下是位元組碼，然后即時編譯為機器碼并執行
• Java虛擬機是可運行Java代碼的假想計算機，java源檔案(.java)通過java編譯器javac生成位元組碼檔案(.class)，位元組碼檔案(.class)通過JVM中的解釋器再翻譯成特定機器上的機器碼

即，原始碼/源代碼/Source code/.java -> 位元組碼/Bytecode/.class -> 機器碼/Machine code/原生碼/Native Code

運行時資料區(runtime data areas)：JVM運行時需要從整個計算機記憶體中劃出一塊記憶體區域存盤jvm需要用到的東西

• 堆Heap：JVM內共享/執行緒間共享，保存了所有類實體/物件本身instance，不存盤基本資料型別物件和自定義物件參考(這些存在各執行緒的JVM Stack中)，是gc的主要回收區
• 方法區Method Area/永久代Permanent Generation：JVM內共享/執行緒間共享，保存了每個類的資訊(類的名稱、欄位資訊、方法資訊)class、靜態變數static等
• 程式計數器Program Counter Register/PC暫存器：執行緒內共享，保存每個執行緒正在執行的虛擬機位元組碼指令的地址;若該方法為Native的，則計數器置空Undefined
• 虛擬機堆疊JVM Stack/執行緒堆疊：執行緒內共享，保存基本資料型別的物件和自定義物件的參考，執行環境的背景關系
• 本地方法堆疊Native Method Stacks：執行緒內共享，與JVM Stack所發揮的作用是非常相似的，其區別不過是虛擬機堆疊為虛擬機執行Java方法(也就是位元組碼)服務，而本地方法堆疊則是為虛擬機執行的Native方法服務

垃圾回收器開啟命令

Command line新生代gc模式老年代gc模式-XX:+UseSerialGCserial串行回收器serialOld串行回收器-XX:+UseParNewGCparNew并行回收器default-XX:+UseParallelGCparallel并行回收器default-XX:+UseParallelOldGCdefaultparallel并行回收器-XX:+UseConcMarkSweepGCdefaultCMS并行回收器-XX:+UseG1GCG1回收器G1回收器

根據上表新生代與老年代的gc模式互為搭配一起為垃圾回收器服務，

Default garbage collectors,

• Java 7 - Parallel GC
• Java 8 - Parallel GC
• Java 9 - G1 GC