這些不可不知的JVM知識，我都用思維導圖整理好了

JVM是面試中必問的部分，本文通過思維導圖以面向面試的角度整理JVM中不可不知的知識。

先上圖：

1、JVM基本概念

1.1、JVM是什么

JVM 的全稱是 「Java Virtual Machine」，也就是我們耳熟能詳的 Java 虛擬機。

JVM具備着計算機的基本運算方式，它主要負責把 Java 程序生成的字節碼文件，解釋成具體系統平台上的機器指令，讓其在各個平台運行。

JVM是運行在操作系統上的，它與硬件沒有直接的交互。

當然，嚴格來說JVM也是虛擬機規范，有很多不同的實現，Sun/OracleJDK和OpenJDK中的默認Java虛擬機是HotSpot虛擬機，是目前使用范圍最廣的Java虛擬機，一般講到的JVM默認指的就是HotSpot虛擬機。

1.2、Java程序運行過程

我們都知道 Java 源文件，通過編譯器，能夠生產相應的.Class 文件，也就是字節碼文件，而字節碼文件又通過 Java 虛擬機中的解釋器，編譯成特定機器上的機器碼 。

也就是如下：

每一種平台的解釋器是不同的，但是實現的虛擬機是相同的，這也就是 Java 為什么能夠跨平台的原因了 ，當一個程序從開始運行，這時虛擬機就開始實例化了，多個程序啟動就會存在多個虛擬機實例。程序退出或者關閉，則虛擬機實例消亡，多個虛擬機實例之間數據不能共享。

1.3、JDK、JRE、JVM

• JDK(Java Development Kit Java 開發工具包)，JDK 是提供給 Java 開發人員使用的，其中包含了 Java 的開發工具，也包括了 JRE。其中的開發工具包括編譯工具(javac.exe) 打包工具(jar.exe)等。

• JRE(Java Runtime Environment Java 運行環境) 是 JDK 的子集，也就是包括 JRE 所有內容，以及開發應用程序所需的編譯器和調試器等工具。JRE 提供了庫、Java 虛擬機（JVM）和其他組件，用於運行 Java 編程語言、小程序、應用程序。

• JVM(Java Virtual Machine Java 虛擬機)，JVM 可以理解為是一個虛擬出來的計算機，具備着計算機的基本運算方式，它主要負責把 Java 程序生成的字節碼文件，

  解釋成具體系統平台上的機器指令，讓其在各個平台運行。

JDK中包含JRE，也包括JDK，而JRE也包括JDK。

范圍關系：JDK>JRE>JVM。

2、JVM內存區域

Java虛擬機在執行Java程序的過程中會把它所管理的內存划分為若干個不同的數據區域。根據《Java虛擬機規范》的規定，Java虛擬機所管理的內存將會包括以下幾個運行時數據區域：

當然，實際上，為了更好的適應 CPU 性能提升，最大限度提升JVM 運行效率，JDK中各個版本對JVM進行了一些迭代，示意圖如下：

JDK1.6、JDK1.7、JDK1.8 JVM 內存模型主要有以下差異：

• JDK 1.6：有永久代，靜態變量存放在永久代上。

• JDK 1.7：有永久代，但已經把字符串常量池、靜態變量，存放在堆上。逐漸的減少永久代的使用。

• JDK 1.8：無永久代，運行時常量池、類常量池，都保存在元數據區，也就是常說的元空間。但字符串常量池仍然存放在堆上。

2.1、程序計數器

一塊較小的內存空間, 是當前線程所執行的字節碼的行號指示器，每條線程都要有一個獨立的程序計數器，這類內存也稱為“線程私有”的內存。

正在執行 java 方法的話，計數器記錄的是虛擬機字節碼指令的地址（當前指令的地址）。如果還是 Native 方法，則為空。

這個內存區域是唯一一個在虛擬機中沒有規定任何 OutOfMemoryError 情況的區域。

2.2、Java虛擬機棧

與程序計數器一樣，Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stack）也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。

虛擬機棧描述的是Java方法執行的線程內存模型：每個方法被執行的時候，Java虛擬機都 會同步創建一個棧幀（Stack Frame）用於存儲局部變量表、操作數棧、動態連接、方法出口等信息。每一個方法被調用直至執行完畢的過程，就對應着一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。

局部變量表存放了編譯期可知的各種Java虛擬機基本數據類型、對象引用（reference類型，它並不等同於對象本身，可能是一個指向對象起始址的引用指針，也可能是指向一個代表對象的句柄或者其他與此對象相關的位置）和returnAddress 類型（指向了一條字節碼指令的地址）。

2.3、本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機棧所發揮的作用是非常相似的，其區別只是虛擬機棧為虛擬機執行Java方法（也就是字節碼）服務，而本地方法棧則是為虛擬機使用到的本地（Native） 方法服務。

Hot-Spot虛擬機直接把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。

與虛擬機棧一樣，本地方法棧也會在棧深度溢出或者棧擴展失敗時分別拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

2.4、Java堆

對於Java應用程序來說，Java堆（Java Heap）是虛擬機所管理的內存中最大的一塊。Java堆是被所有線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啟動時創建。此內存區域的唯一目的就是存放對象實例，Java 世界里“幾乎”所有的對象實例都在這里分配內存。

Java堆是垃圾收集器管理的內存區域，因此一些資料中它也被稱作“GC堆”。

從回收內存的角度看，

• Java 堆，由年輕代和年老代組成，分別占據 1/3 和 2/3。

• 而年輕代又分為三部分，Eden、From Survivor、To Survivor，占據比例為 8:1:1，可調。

需要注意的是這些區域划分僅僅是一部分垃圾收集器的共同特性或者說設計風格而已，而非某個Java虛擬機具體實現的固有內存布局，HotSpot里面已經出現了不采用分代設計的新垃圾收集器。

Java堆既可以被實現成固定大小的，也可以是可擴展的，不過當前主流的Java虛擬機都是按照可擴展來實現的（通過參數-Xmx和-Xms設定）。如果在Java堆中沒有內存完成實例分配，並且堆也無法再擴展時，Java虛擬機將會拋出OutOfMemoryError異常。

2.5、方法區（JDK1.8移除）

方法區（Method Area）與Java堆一樣，是各個線程共享的內存區域，它用於存儲已被虛擬機加載 的類型信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯后的代碼緩存等數據。

在JDK1.8以前，HotSpot使用永久代來實現方法區，所以某些場合也認為方法區和永久代是一個概念。

在JDK 6的 時候HotSpot開發團隊就有放棄永久代，逐步改為采用本地內存（Native Memory）來實現方法區的計划了，到了JDK 7的HotSpot，已經把原本放在永久代的字符串常量池、靜態變量等移出，而到了 JDK 8，終於完全廢棄了永久代的概念，改用在本地內存中實現的元空間（Meta- space）來代替，把JDK 7中永久代還剩余的內容（主要是類型信息）全部移到元空間中。

如果方法區無法滿足新的內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。

2.6、運行時常量池

運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分——在JDK1.8已經被移到了元空間。

運行時常量池相對於Class文件常量池的一個重要特征是具備動態性，Java語言並不要求常量一定只有編譯期才能產生，也就是說，並非預置入Class文件中常量池的內容才能進入運行時常量池，運行期間也可以將新的常量放入池中，這種特性被開發人員利用得比較多的便是String類的 intern()方法。

2.7、直接內存

直接內存（Direct Memory）並不是虛擬機運行時數據區的一部分。

顯然，本機直接內存的分配不會受到Java堆大小的限制，但是，既然是內存，則肯定還是會受到本機總內存（包括物理內存、SWAP分區或者分頁文件）大小以及處理器尋址空間的限制。

元空間從虛擬機 Java 堆中轉移到本地內存，默認情況下，元空間的大小僅受本地內存的限制。jdk1.8 以前版本的 class 和 JAR 包數據存儲在 PermGen 下面 ，PermGen 大小是固定的，而且項目之間無法共用，公有的 class，所以比較容易出現 OOM 異常。

升級 JDK 1.8 后，元空間配置參數，-XX:MetaspaceSize=512M XX:MaxMetaspaceSize=1024M。

3、JVM中的對象

上面已經了解Java虛擬機的運行時數據區域，我們接下來更進一步了解這些虛擬機內存中數據的其他細節，譬如它們是如何創建、如何布局以及如何訪問的。以最常用的虛擬機HotSpot和最常用的內存區域Java堆為例，了解一下HotSpot虛擬機在Java堆中對象分配、布局和訪問的全過程。

3.1、對象的創建

Java對象創建的大概過程如下：

• ①類加載檢查： 虛擬機遇到⼀條 new 指令時，⾸先將去檢查這個指令的參數是否能在常量池中定位到這個類的符號引⽤，並且檢查這個符號引⽤代表的類是否已被加載過、解析和初始化過。如果沒有，那必須先執⾏相應的類加載過程。

• ②分配內存： 在類加載檢查通過后，接下來虛擬機將為新⽣對象分配內存。對象所需的內存⼤⼩在類加載完成后便可確定，為對象分配空間的任務等同於把⼀塊確定⼤⼩的內存從 Java 堆中划分出來。分配⽅式有 “指針碰撞” 和 “空閑列表” 兩種，選擇那種分配⽅式由 Java 堆是否規整決定，⽽Java堆是否規整⼜由所采⽤的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定。

內存分配的兩種⽅式：選擇以上兩種⽅式中的哪⼀種，取決於 Java 堆內存是否規整。⽽ Java 堆內存是否規整，取決於 GC收集器的算法是"標記-清除"，還是"標記-整理"（也稱作"標記-壓縮"），值得注意的是，復制算法內存也是規整的。

• ③初始化零值： 內存分配完成后，虛擬機需要將分配到的內存空間都初始化為零值（不包括對象頭），這⼀步操作保證了對象的實例字段在 Java 代碼中可以不賦初始值就直接使⽤，程序能訪問到這些字段的數據類型所對應的零值。

• ④設置對象頭： 初始化零值完成之后，虛擬機要對對象進⾏必要的設置，例如這個對象是那個類的實例、如何才能找到類的元數據信息、對象的哈希嗎、對象的 GC 分代年齡等信息。 這些信息存放在對象頭中。 另外，根據虛擬機當前運⾏狀態的不同，如是否啟⽤偏向鎖等，對象頭會有不同的設置⽅式。

• ⑤執⾏ init ⽅法： 在上⾯⼯作都完成之后，從虛擬機的視⻆來看，⼀個新的對象已經產⽣了，但從Java 程序的視⻆來看，對象創建才剛開始， ⽅法還沒有執⾏，所有的字段都還為零。所以⼀般來說，執⾏ new 指令之后會接着執⾏ ⽅法，把對象按照程序員的意願進⾏初始化，這樣⼀個真正可⽤的對象才算完全產⽣出來。

3.2、對象的內存布局

在HotSpot虛擬機里，對象在堆內存中的存儲布局可以划分為三個部分：對象頭（Header）、實例數據（Instance Data）和對齊填充（Padding）。

HotSpot虛擬機對象的對象頭部分包括兩類信息。第一類是用於存儲對象自身的運行時數據，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態標志、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時間戳等，這部分數據的長度在32位和64位的虛擬機（未開啟壓縮指針）中分別為32個比特和64個比特，官方稱它為“Mark Word”。

3.3、對象的訪問定位

建⽴對象就是為了使⽤對象，我們的Java程序通過棧上的 reference 數據來操作堆上的具體對象。對象的訪問⽅式有虛擬機實現⽽定，⽬前主流的訪問⽅式有①使⽤句柄和②直接指針兩種：

• 句柄： 如果使⽤句柄的話，那么Java堆中將會划分出⼀塊內存來作為句柄池，reference 中存儲的就是對象的句柄地址，⽽句柄中包含了對象實例數據與類型數據各⾃的具體地址信息。

• 直接指針： 如果使⽤直接指針訪問，那么 Java 堆對象的布局中就必須考慮如何放置訪問類型數據的相關信息，⽽reference 中存儲的直接就是對象的地址。

4、GC垃圾回收

對於垃圾回收，主要考慮的就是完成三件事：

• 哪些內存需要回收？

• 什么時候回收？

• 如何回收？

4.1、如何判斷對象需要回收？

4.1.1、引用計數法

引用計數法的算法：

• 在對象中添加一個引用計數器，每當有一個地方引用它時，計數器值就加一；
• 當引用失效時，計數器值就減一；
• 任何時刻計數器為零的對象就是不可 能再被使用的。

客觀地說，引用計數算法（Reference Counting）雖然占用了一些額外的內存空間來進行計數，但它的原理簡單，判定效率也很高，在大多數情況下它都是一個不錯的算法。也有一些比較著名的應用案例，例如微軟COM（Component Object Model）技術、使用ActionScript 3的FlashPlayer、Python語言以及在游戲腳本領域得到許多應用的Squirrel中都使用了引用計數算法進行內存管理。

但是，在Java 領域，至少主流的Java虛擬機里面都沒有選用引用計數算法來管理內存，主要原因是，這個看似簡單的算法有很多例外情況要考慮，例如在處理處理一些相互依賴、循環引用時非常復雜。

4.1.2、可達性分析算法

當前主流的商用程序語言（Java、C#，上溯至前面提到的古老的Lisp）的內存管理子系統，都是通過可達性分析（Reachability Analysis）算法來判定對象是否存活的。這個算法的基本思路就是通過一系列稱為“GC Roots”的根對象作為起始節點集，從這些節點開始，根據引用關系向下搜索，搜索過程所走過的路徑稱為“引用鏈”（Reference Chain），如果某個對象到GC Roots間沒有任何引用鏈相連， 或者用圖論的話來說就是從GC Roots到這個對象不可達時，則證明此對象是不可能再被使用的。

GC Roots 包括；

• 全局性引用，對方法區的靜態對象、常量對象的引用

• 執行上下文，對 Java 方法棧幀中的局部對象引用、對 JNI handles 對象引用

• 已啟動且未停止的 Java 線程

4.1.3、引用

無論是通過引用計數算法判斷對象的引用數量，還是通過可達性分析算法判斷對象是否引用鏈可達，判定對象是否存活都和“引用”離不開關系。

Java的引用分為四種：強引用（Strongly Re-ference）、軟引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）和虛引用（Phantom Reference）。

• 強引用是最傳統的“引用”的定義，是指在程序代碼之中普遍存在的引用賦值，即類似“Object obj=new Object()”這種引用關系。無論任何情況下，只要強引用關系還存在，垃圾收集器就永遠不會回收掉被引用的對象。

• 軟引用是用來描述一些還有用，但非必須的對象。只被軟引用關聯着的對象，在系統將要發生內存溢出異常前，會把這些對象列進回收范圍之中進行第二次回收，如果這次回收還沒有足夠的內存， 才會拋出內存溢出異常。Java提供提供了SoftReference類來實現軟引用。

• 弱引用也是用來描述那些非必須對象，但是它的強度比軟引用更弱一些，被弱引用關聯的對象只能生存到下一次垃圾收集發生為止。當垃圾收集器開始工作，無論當前內存是否足夠，都會回收掉只被弱引用關聯的對象。Java提供了WeakReference類來實現弱引用。

• 虛引用也稱為“幽靈引用”或者“幻影引用”，它是最弱的一種引用關系。一個對象是否有虛引用的 存在，完全不會對其生存時間構成影響，也無法通過虛引用來取得一個對象實例。為一個對象設置虛引用關聯的唯一目的只是為了能在這個對象被收集器回收時收到一個系統通知。Java提供了PhantomReference類來實現虛引用。

4.2、垃圾收集算法

4.2.1、標記-清除算法

最早出現也是最基礎的垃圾收集算法是“標記-清除”（Mark-Sweep）算法，

算法分為“標記”和“清除”兩個階段：首先標記出所有需要回收的對象，在標記完成后，統一回收掉所有被標記的對象，也可以反過來，標記存活的對象，統一回

收所有未被標記的對象。標記過程就是對象是否屬於垃圾的判定過程。

后續的收集算法大多都是以標記-清除算法為基礎，對其缺點進行改進而得到的。

它的主要缺點有兩個：

• 第一個是執行效率不穩定，如果Java堆中包含大量對象，而且其中大部分是需要被回收的，這時必須進行大量標記和清除的動作，導致標記和清除兩個過

程的執行效率都隨對象數量增長而降低；

• 第二個是內存空間的碎片化問題，標記、清除之后會產生大量不連續的內存碎片，空間碎片太多可能會導致當以后在程序運行過程中需要分配較大對象時無法找到足夠的連續內存而不得不提前觸發另一次垃圾收集動作。

標記-清除算法的執行過程如圖：

4.2.2、標記-復制算法

標記-復制算法常被簡稱為復制算法。為了解決標記-清除算法面對大量可回收對象時執行效率低的問題。

它將可用內存按容量划分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當這一塊的內存用完了，就將還存活着的對象復制到另外一塊上面，然后再把已使用過的內存空間一次清理掉。

這樣實現簡單，運行高效，不過其缺陷也顯而易見，這種復制回收算法的代價是將可用內存縮小為了原來的一半，空間浪費較多。

標記-復制算法的執行過程如圖所示。

4.2.3、標記-整理算法

標記-整理算法的標記過程仍然與“標記-清除”算法一樣，但后續步驟不是直接對可回收對象進行清理，而是讓所有存活的對象都向內存空間一端移動，然后直接清理掉邊界以外的內存。

“標記-整理”算法的示意圖如圖：

4.3、分代收集理論

當前商業虛擬機的垃圾收集器，大多數都遵循了“分代收集”（Generational Collection）的理論進行設計，分代收集名為理論，實質是一套符合大多數程序運行實際情況的經驗法則，它建立在兩個分代假說之上：

• 1）弱分代假說（Weak Generational Hypothesis）：絕大多數對象都是朝生夕滅的。

• 2）強分代假說（Strong Generational Hypothesis）：熬過越多次垃圾收集過程的對象就越難以消亡。

基於這兩個假說，收集器應該將Java堆划分出不同的區域，然后將回收對象依據其年齡（年齡即對象熬過垃圾收集過程的次數）分配到不同的區域之中存儲。

設計者一般至少會把Java堆划分為新生代 （Young Generation）和老年代（Old Generation）兩個區域。顧名思義，在新生代中，每次垃圾收集

時都發現有大批對象死去，而每次回收后存活的少量對象，將會逐步晉升到老年代中存放。

基於這種分代，老年代和新生代具備不同的特點，可以采用不同的垃圾收集算法。

• ⽐如在新⽣代中，每次收集都會有⼤量對象死去，所以可以選擇標記-復制算法，只需要付出少量對象的復制成本就可以完成每次垃圾收集。
• ⽽⽼年代的對象存活⼏率是⽐較⾼的，⽽且沒有額外的空間對它進⾏分配擔保，所以必須選擇標記-清除或標記-整理算法進⾏垃圾收集。

因為有了分代收集理論，所以就有了了“Minor GC（新⽣代GC）”、“Major GC（⽼年代GC）”、“Full GC（全局GC）”這樣的回收類型的划分

4.4、垃圾收集器

4.4.1、Serial收集器

Serial收集器是最基礎、歷史最悠久的收集器，曾經（在JDK 1.3.1之前）是HotSpot虛擬機新生代收集器的唯一選擇。這個收集器是一個單線程工作的收集器，但它的“單線 程”的意義並不僅僅是說明它只會使用一個處理器或一條收集線程去完成垃圾收集工作，更重要的是強調在它進行垃圾收集時，必須暫停其他所有工作線程，直到它收集結束。

Serial/Serial Old收 集器的運行過程如下：

4.4.2、ParNew收集器

ParNew收集器實質上是Serial收集器的多線程並行版本，除了同時使用多條線程進行垃圾收集之外，其余的行為包括Serial收集器可用的所有控制參數（例如：-XX：SurvivorRatio、-XX： PretenureSizeThreshold、-XX：HandlePromotionFailure等）、收集算法、Stop The World、對象分配規則、回收策略等都與Serial收集器完全一致，在實現上這兩種收集器也共用了相當多的代碼。

ParNew收集器的工作過程如圖所示：

4.4.3、Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器也是一款新生代收集器，它同樣是基於標記-復制算法實現的收集器，也是能夠並行收集的多線程收集器

Parallel Scavenge收集器的目標則是達到一個可控制的吞吐量（Throughput）。由於與吞吐量關系密切，Parallel Scavenge收集器也經常被稱作“吞吐量優先收集器”。

Parallel Scavenge收集器提供了兩個參數用於精確控制吞吐量，分別是控制最大垃圾收集停頓時間的-XX：MaxGCPauseMillis參數以及直接設置吞吐量大小的-XX：GCTimeRatio參數。

4.4.4、Serial Old收集器

Serial Old是Serial收集器的老年代版本，它同樣是一個單線程收集器，使用標記-整理算法。這個收集器的主要意義也是供客戶端模式下的HotSpot虛擬機使用。如果在服務端模式下，它也可能有兩種用途：一種是在JDK 5以及之前的版本中與Parallel Scavenge收集器搭配使用，另外一種就是作為CMS 收集器發生失敗時的后備預案，在並發收集發生Concurrent Mode Failure時使用。這兩點都將在后面的內容中繼續講解。

Serial Old收集器的工作過程如圖所示。

4.4.5、Parallel Old收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，支持多線程並發收集，基於標記-整理算法實現。這個收集器是直到JDK 6時才開始提供的。Parallel Old收集器的工作過程如圖所示。

4.4.6、CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短回收停頓時間為目標的收集器。目前很大一部分的Java應用集中在互聯網網站或者基於瀏覽器的B/S系統的服務端上，這類應用通常都會較為關注服務的響應速度，希望系統停頓時間盡可能短，以給用戶帶來良好的交互體驗。CMS收集器就非常符合這類應用的需求。

Concurrent Mark Sweep收集器運行過程如圖：

4.4.7、Garbage First收集器

G1是一款主要面向服務端應用的垃圾收集器，是目前垃圾回收器的前沿成果。HotSpot開發團隊最初賦予它的期望是（在比較長期的）未來可以替換掉JDK 5中發布的CMS收集器。現在這個期望目標已經實現過半了，JDK 9發布之日，G1宣告取代Parallel Scavenge加Parallel Old組合，成為服務端模式下的默認垃圾收集器。

G1收集器運行過程如圖：

5、JVM類加載

Java虛擬機把描述類的數據從Class文件加載到內存，並對數據進行校驗、轉換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機直接使用的Java類型，這個過程被稱作虛擬機的類加載機制。

5.1、類加載過程

一個類型從被加載到虛擬機內存中開始，到卸載出內存為止，它的整個生命周期將會經歷加載 （Loading）、驗證（Verification）、准備（Preparation）、解析（Resolution）、初始化 （Initialization）、使用（Using）和卸載（Unloading）七個階段，其中驗證、准備、解析三個部分統稱為連接（Linking）。

過程如下圖：

**加載 **:

“加載”（Loading）階段是整個“類加載”（Class Loading）過程中的一個階段，在加載階段，Java虛擬機需要完成以下三件事情：

• 1）通過一個類的全限定名來獲取定義此類的二進制字節流。

• 2）將這個字節流所代表的靜態存儲結構轉化為堆的運行時數據結構。

• 3）在內存中生成一個代表這個類的java.lang.Class對象，作為方法區這個類的各種數據的訪問入口。

驗證:

驗證是連接階段的第一步，這一階段的目的是確保Class文件的字節流中包含的信息符合《Java虛擬機規范》的全部約束要求，保證這些信息被當作代碼運行后不會危害虛擬機自身的安全。

驗證階段大致上會完成四個階段的檢驗動作：文件格式驗證、元數據驗證、字節碼驗證和符號引用驗證。

准備:

准備階段是正式為類中定義的變量（即靜態變量，被static修飾的變量）分配內存並設置類變量初始值的階段。

解析：

解析階段是Java虛擬機將常量池內的符號引用替換為直接引用的過程。

5.2、類加載器

Java虛擬機設計團隊有意把類加載階段中的“通過一個類的全限定名來獲取描述該類的二進制字節流”這個動作放到Java虛擬機外部去實現，以便讓應用程序自己決定如何去獲取所需的類。實現這個動作的代碼被稱為“類加載器”（Class Loader）。

5.2.1、類與類加載器

類加載器雖然只用於實現類的加載動作，但它在Java程序中起到的作用卻遠超類加載階段。對於任意一個類，都必須由加載它的類加載器和這個類本身一起共同確立其在Java虛擬機中的唯一性，每一個類加載器，都擁有一個獨立的類名稱空間。這句話可以表達得更通俗一些：比較兩個類是否“相等”，只有在這兩個類是由同一個類加載器加載的前提下才有意義，否則，即使這兩個類來源於同一個Class文件，被同一個Java虛擬機加載，只要加載它們的類加載器不同，那這兩個類就必定不相等。

5.2.2、雙親委派模型

JVM 中內置了三個重要的 ClassLoader，啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader），這個類加載器使用C++語言實現，是虛擬機自身的一部分，其他所有

的類加載器，這些類加載器都由Java語言實現，獨立存在於虛擬機外部，並且全都繼承自抽象類java.lang.ClassLoader。

• 啟動類加載器（Bootstrap Class Loader）: 這個類加載器負責加載存放在 <JAVA_HOME>\lib目錄，或者被-Xbootclasspath參數所指定的路徑中存放的，而且是Java虛擬機能夠識別的（按照文件名識別，如rt.jar、tools.jar，名字不符合的類庫即使放在lib目錄中也不會被加載）類庫加載到虛擬機的內存中。
• 擴展類加載器（Extension Class Loader）：這個類加載器是在類sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 中以Java代碼的形式實現的。它負責加載<JAVA_HOME>\lib\ext目錄中，或者被java.ext.dirs系統變量所指定的路徑中所有的類庫。
• 應用程序類加載器（Application Class Loader）：這個類加載器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader來實現。由於應用程序類加載器是ClassLoader類中的getSystem-ClassLoader()方法的返回值，所以有些場合中也稱它為“系統類加載器”。它負責加載用戶類路徑 （ClassPath）上所有的類庫，開發者同樣可以直接在代碼中使用這個類加載器。

雙親委派模型: 如果一個類加載器收到了類加載的請求，它首先不會自己去嘗試加載這個類，而是把這個請求委派給父類加載器去完成，每一個層次的類加載器都是如此，因此所有的加載請求最終都應該傳送到最頂層的啟動類加載器中，只有當父加載器反饋自己無法完成這個加載請求（它的搜索范圍中沒有找到所需的類）時，子加載器才會嘗試自己去完成加載。

為什么要使用雙親委派模型來組織類加載器之間的關系呢？一個顯而易見的好處就是Java中的類隨着它的類加載器一起具備了一種帶有優先級的層次關系。例如類java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，無論哪一個類加載器要加載這個類，最終都是委派給處於模型最頂端的啟動類加載器進行加載，因此Object類在程序的各種類加載器環境中都能夠保證是同一個類。反之，如果沒有使用雙親委派模型，都由各個類加載器自行去加載的話，如果用戶自己也編寫了一個名為java.lang.Object的類，並放在程序的 ClassPath中，那系統中就會出現多個不同的Object類，Java類型體系中最基礎的行為也就無從保證，應用程序將會變得一片混亂。

5.2.3、破壞雙親委派模型

過雙親委派模型並不是一個具有強制性約束的模型，而是Java設計者推薦給開發者們的類加載器實現方式。在Java的世界中大部分的類加載器都遵循這個模型，但也有例外的情況，直到Java模塊化出現為止，雙親委派模型主要出現過3次較大規模“被破壞”的情況。

• 第一次破壞：向前兼容

  JDK1.2發布之前，兼容之前的代碼。

• 第二次破壞：加載SPI接口實現類

第二次被破壞是這個模型自身的缺陷導致的。雙親委派模型很好的解決了各個類加載器的基礎類的統一問題（越基礎的類由越上層的加載器進行加載），基礎類之所以稱為“基礎”，是因為它們總是作為被用戶代碼調用的API， 但沒有絕對，如果基礎類調用會用戶的代碼怎么辦呢？

這不是沒有可能的。一個典型的例子就是JNDI服務，JNDI現在已經是Java的標准服務，它的代碼由啟動類加載器去加載（在JDK1.3時就放進去的rt.jar）,但它需要調用由獨立廠商實現並部署在應用程序的ClassPath下的JNDI接口提供者（SPI， Service Provider Interface）的代碼，但啟動類加載器不可能“認識“這些代碼啊。因為這些類不在rt.jar中，但是啟動類加載器又需要加載。怎么辦呢？

為了解決這個問題，Java設計團隊只好引入了一個不太優雅的設計：線程上下文類加載器（Thread Context ClassLoader）。這個類加載器可以通過java.lang.Thread類的setContextClassLoader方法進行設置。如果創建線程時還未設置，它將會從父線程中繼承一個，如果在應用程序的全局范圍內都沒有設置過多的話，那這個類加載器默認即使應用程序類加載器。

有了線程上下文加載器，JNDI服務使用這個線程上下文加載器去加載所需要的SPI代碼，也就是父類加載器請求子類加載器去完成類加載的動作，這種行為實際上就是打通了雙親委派模型的層次結構來逆向使用類加載器，實際上已經違背了雙親委派模型的一般性原則。但這無可奈何，Java中所有涉及SPI的加載動作基本勝都采用這種方式。例如JNDI，JDBC，JCE，JAXB，JBI等。

• 第三次破壞：熱部署

雙親委派模型的第三次“被破壞”是由於用戶對程序的動態性的追求導致的。為了實現熱插拔，熱部署，模塊化，意思是添加一個功能或減去一個功能不用重啟，只需要把這模塊連同類加載器一起換掉就實現了代碼的熱替換。例如OSGi的出現。在OSGi環境下，類加載器不再是雙親委派模型中的樹狀結構，而是進一步發展為網狀結構。

如果我們自己想定義一個類加載器，破壞雙親委派模型，只需要重寫重寫其中的loadClass方法，使其不進行雙親委派即可。

5.2.4、Tomcat類加載器架構

Tomcat是主流的Java Web服務器之一，為了實現一些特殊的功能需求，自定義了一些類加載器。

Tomcat類加載器如下：

Tomcat實際上也是破壞了雙親委派模型的。

Tomact是web容器，可能需要部署多個應用程序。不同的應用程序可能會依賴同一個第三方類庫的不同版本，但是不同版本的類庫中某一個類的全路徑名可能是一樣的。如多個應用都要依賴hollis.jar，但是A應用需要依賴1.0.0版本，但是B應用需要依賴1.0.1版本。這兩個版本中都有一個類是com.hollis.Test.class。如果采用默認的雙親委派類加載機制，那么無法加載多個相同的類。

所以，Tomcat破壞雙親委派原則，提供隔離的機制，為每個web容器單獨提供一個WebAppClassLoader加載器。

Tomcat的類加載機制：為了實現隔離性，優先加載 Web 應用自己定義的類，所以沒有遵照雙親委派的約定，每一個應用自己的類加載器——WebAppClassLoader負責加載本身的目錄下的class文件，加載不到時再交給CommonClassLoader加載，這和雙親委派剛好相反。

6、JVM故障處理

6.1、基礎故障處理工具

6.1.1、jps：虛擬機進程狀況工具

jps（JVM Process Status Tool），它的功能與 ps 命令類似，可以列出正在運行的虛擬機進程，並顯示虛擬機執行主類（Main Class，main()函數所在的類）

名稱以及這些進程的本地虛擬機唯一 ID （ Local Virtual Machine Identifier,LVMID），類似於 ps -ef | grep java 的功能。

命令格式

jps [ options ] [ hostid ]

 options：選項、參數，不同的參數可以輸出需要的信息

 hostid：遠程查看

選項列表	描述
-q	只輸出進程 ID，忽略主類信息
-l	輸出主類全名，或者執行 JAR 包則輸出路徑
-m	輸出虛擬機進程啟動時傳遞給主類 main()函數的參數
-v	輸出虛擬機進程啟動時的 JVM 參數

6.1.2、jstat：虛擬機統計信息監視工具

jstat（JVM Statistics Monitoring Tool），用於監視虛擬機各種運行狀態信息。它可以查看本地或者遠程虛擬機進程中，類加載、內存、垃圾收集、即時編譯等運行時數據。

命令格式

jstat - [-t] [-h ] [ [ ]]

• vmid：如果是查看遠程機器，需要按照此格式：

[protocol:][//]lvmid[@hostname[:port]/servername]

• interval 和 count，表示查詢間隔和次數，比如每隔 1000 毫秒查詢一次進程 ID 的gc 收集情況，每次查詢 5 次。jstat -gc 111552 1000 5

選項列表:

選項列表	描述
-class	監視類加載、卸載數量、總空間以及類裝載所耗費時長
-gc	監視 Java 堆情況，包括 Eden 區、2 個 Survivor 區、老年代、永久代或者 jdk1.8 元空間等，容量、已用空間、垃圾收集時間合計等信息
-gccapacity	監視內容與-gc 基本一致，但輸出主要關注 Java 堆各個區域使用到的最大、最小空間
-gcutil	監視內容與-gc 基本相同，但輸出主要關注已使用空間占總空間的百分比
-gccause	與 -gcutil 功能一樣，但是會額外輸出導致上一次垃圾收集產生的原因
-gcnew	監視新生代垃圾收集情況
-gcnewcapacity	監視內容與 -gcnew 基本相同，輸出主要關注使用到的最大、最小空間
-gcold	監視老年代垃圾收集情況
-gcoldcapacity	監視內容與 -gcold 基本相同，輸出主要關注使用到的最大、最小空間
-compiler	輸出即時編譯器編譯過的方法、耗時等信息
-printcompilation	輸出已經被即時編譯的方法

6.1.3、jinfo：Java配置信息工具

jinfo（Configuration Info for Java），實時查看和調整 JVM 的各項參數。在上面講到 jps -v 指令時，可以看到它把虛擬機啟動時顯式的參數列表都打印

出來了，但如果想更加清晰的看具體的一個參數或者想知道未被顯式指定的參數時，就可以通過 jinfo -flag 來查詢了。

命令格式

jinfo [ option ] pid

6.1.4、jmap：Java內存映像工具

jmap（Memory Map for Java），用於生成堆轉儲快照（heapdump 文件）。

jmap 的作用除了獲取堆轉儲快照，還可以查詢 finalize 執行隊列、Java 堆和

方法區的詳細信息。

命令格式

jmap [ option ] pid

 option：選項參數

 pid：需要打印配置信息的進程 ID

 executable：產生核心 dump 的 Java 可執行文件

 core：需要打印配置信息的核心文件

 server-id：可選的唯一 id，如果相同的遠程主機上運行了多台調試服務器，用此選

項參數標識服務器

 remote server IP or hostname： 遠程調試服務器的 IP 地址或主機名

選項	描述
-dump	生成 Java 堆轉儲快照。
-finalizerinfo	顯示在 F-Queue 中等待 Finalizer 線程執行 finalize 方法的對象。Linux平台
-heap	顯示 Java 堆詳細信息，比如：用了哪種回收器、參數配置、分代情況。Linux 平台
-histo	顯示堆中對象統計信息，包括類、實例數量、合計容量
-permstat	顯示永久代內存狀態，jdk1.7，永久代
-F	當虛擬機進程對 -dump 選項沒有響應式，可以強制生成快照。Linux平台

6.1.5、jhat：虛擬機堆轉儲快照分析工具

jhat（JVM Heap Analysis Tool），與 jmap 配合使用，用於分析 jmap 生成的堆轉儲快照。

jhat 內置了一個小型的 http/web 服務器，可以把堆轉儲快照分析的結果，展示在瀏覽器中查看。不過用途不大，基本大家都會使用其他第三方工具。

命令格式

jhat [-stack ] [-refs ] [-port ] [-baseline ] [-

debug ] [-version] [-h|-help]

6.1.6、jstack：Java堆棧跟蹤工具

jstack（Stack Trace for Java），用於生成虛擬機當前時刻的線程快照（threaddump、javacore）。

線程快照就是當前虛擬機內每一條線程正在執行的方法堆棧的集合，生成線程快照的目的通常是定位線程出現長時間停頓的原因，如：線程死鎖、死循環、請求

外部資源耗時較長導致掛起等。

線程出現聽頓時通過 jstack 來查看各個線程的調用堆棧，就可以獲得沒有響應的線程在搞什么鬼。

命令格式

jstack [ option ] vmid

選項參數:

選項	描述
-F	當正常輸出的請求不被響應時，強制輸出線程堆棧
-l	除了堆棧外，顯示關於鎖的附加信息
-m	如果調用的是本地方法的話，可以顯示 c/c++的堆棧

6.2、可視化故障處理工具

JDK中除了附帶大量的命令行工具外，還提供了幾個功能集成度更高的可視化工具，用戶可以使用這些可視化工具以更加便捷的方式進行進程故障診斷和調試工作。這類工具主要包括JConsole、 JHSDB、VisualVM和JMC四個。

6.2.1、JHSDB：基於服務性代理的調試工具

JDK中提供了JCMD和JHSDB兩個集成式的多功能工具箱，它們不僅整合了所有 基礎工具所能提供的專項功能，而且由於有着“后發優勢”，能夠做得往往比之前的老工具們更好、更強大。

JHSDB是一款基於服務性代理（Serviceability Agent，SA）實現的進程外調試工具。

使用以下命令進入JHSDB的圖形化模式，並使其附加進程11180：

jhsdb hsdb --pid 11180

命令打開的JHSDB的界面:

6.2.2、JConsole：Java監視與管理控制台

JConsole（Java Monitoring and Management Console）是一款基於JMX（Java Manage-ment Extensions）的可視化監視、管理工具。它的主要功能是通過JMX的MBean（Managed Bean）對系統進 行信息收集和參數動態調整。

JConsole連接頁面 :

通過JDK/bin目錄下的jconsole.exe啟動JCon-sole后，會自動搜索出本機運行的所有虛擬機進程

6.2.3、VisualVM：多合-故障處理工具

VisualVM（All-in-One Java Troubleshooting Tool）是功能最強大的運行監視和故障處理程序之一， 曾經在很長一段時間內是Oracle官方主力發展的虛擬機故障處理工具。

它除了常規的運行監視、故障處理外，還可以做性能分析等工作。因為它的通用性很強，對應用程序影響較小，所以可以直接接入到生產環境中。

VisualVM的插件可以手工進行安裝，在網站上下載nbm包后，點擊“工具->插件->已下載”菜單，然后在彈出對話框中指定nbm包路徑便可完成安裝。

VisualVM插件頁簽:

6.2.4、Java Mission Control：可持續在線的監控工具

JMC最初是BEA公司的產品，因此並沒有像VisualVM那樣一開始就基於自家的Net-Beans平台來開發，而是選擇了由IBM捐贈的Eclipse RCP作為基礎框架，現在的JMC不僅可以下載到獨立程序，更常見的是作為Eclipse的插件來使用。JMC與虛擬機之間同樣采取JMX協議進行通信，JMC一方面作為 JMX控制台，顯示來自虛擬機MBean提供的數據；另一方面作為JFR的分析工具，展示來自JFR的數據。

JMC的主界面如圖:

本文是作者結合一些常見面試題學習周志朋老師《深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐》的整理。這本書是非常經典的JVM書籍，也是一部七百多頁的大部頭，強烈建議有空仔細研讀這本書籍，來學習更多JVM的特性和細節。

參考：

【1】：周志朋編著 《深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐（第3版》

【2】：JavaGuide 搞定大廠jvm面試

【3】：小傅哥編著 《Java面經手冊》

【4】：Java內存管理-JVM內存模型以及JDK7和JDK8內存模型對比總結（三）