二、JVM内存模型

1、Java语言跨平台特性

java程序主要通过JVM来实现跨平台的，JVM编译器将Java源代码文件编译成字节码文件(一次编译，随处运行)，然后不同的操作系统生成的机器码不同，但是JVM运行是相同的，JVM解释器将字节码文件转换为机器可执行的二进制机器码

2、JVM内存模型

jvm包含两个子系统为类装载子系统和字节码执行引擎。两个组件为运行时数据区和本地接口。
- 类装载子系统：根据给定的全限定名类名(如：java.lang.Object来装载Class文件到Runtimedata area中的Metaspace。
  字节码执行引擎：执行classes中的指令。
  本地接口：与本地方法库交互，是其它编程语言交互的接口。
  运行时数据区：这就是我们常说的JVM的内存。
一个Java程序的执行过程：
1. 首先通过编译器把 Java 代码转换成字节码。
2. 类装载子系统（ClassLoader）再把字节码加载到内存中，将其放在运行时数据区（Runtime data area）的方法区内，而字节码文件只是 JVM 的一套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统去执行。
3. 字节码执行引擎（Execution Engine），将字节码翻译成底层系统指令。
4. 由 CPU 去执行，而这个过程中需要调用其他语言的本地库接口（Native Interface）来实现整个程序的功能。

示例

//上图示例中的代码：
public class Math {
    public static int initData = 123;
    public static User user = new User();
    
    public int compute() {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = (a + b) * 10;
        return c;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        Math math = new Math();
        math.compute();
        System.out.println("end");
    }
}

通过类加载器将类（类元信息）加载到方法区中，compute() 方法也被加载到方法区中；java代码在执行 math.compute() 的时候，通过 math 对象的对象头中的头指针找到存储在方法区中的 compute() 方法的指令码的入口地址，然后将这个入口地址放到栈中的动态链接内存区域中。
1. 类装载子系统（ClassLoader），将class文件经过加载、验证、准备、解析、初始化后生产类元信息放入到方法区中（类装载子系统主要将类装载到方法区）；常量池是在方法区中的。
2. 栈里面的变量引用指向堆中的对象；基本类型的局部变量放到对应的栈中，对象放到堆中。
3. 对象（在堆中）的对象头中有一个指针，指向的是这个对象所属类的类元信息（方法区中）。
4. 静态变量是存在方法区中的，其引用指向堆中的对象。

3、JVM的内存区域

JVM内存模型主要包括几大模块：程序计数器（Program Counter Register）、虚拟机栈（VM stack）、堆（Heap）、元空间（Metaspace，JDK8后由方法区改为元空间）、本地方法栈（Native Method Stack）。
其中堆、元空间是线程共享的，程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈是线程私有的。

（1）程序计数器（Program Counter Register）

线程私有的。
存储指指向当前线程执行到的指令，由字节码执行引擎读取下一条指令。
字节码执行引擎通过改变程序计数器来依次读取指令，从?实现代码的流程控制。
在多线程的情况下，程序计数器?于记录当前线程执?的位置，从?当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运?到哪里。
为了线程切换后能恢复到正确的执?位置，每条线程都需要有?个独?的程序计数器，各线程之间计数器互不影响，独?存储

（2）虚拟机栈（VM Stack）

线程私有的。
虚拟机栈是由一个个栈帧组成，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
- 局部变量表:存放局部变量。
- 操作数栈：具体的值，做操作的时候用它来作临时空间，执行完后结果会放到局部变量表中。
- 动态链接：动态链接会将方法的符号引用改为指向内存地址的直接引用，这里是用来存地址的值的。
- 方法出口：内层方法返回外层方法的时候，需要知道外层方法执行到第几行了，方法出口就是存储外层方法执行的位置。
存放基本类型的变量、实例方法、引用类型变量都是在函数的栈内存中分配；
每一次函数调用都会有一个对应的栈帧被压入虚拟机栈，每一个函数调用结束后，都会有一个栈帧被弹出。

（3）本地方法栈（Native Method Stack）

线程私有的。
本地方法栈和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是：虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native方法服务。

（4）堆（Heap）

线程共享的。
创建的对象和数组都保存在 Java 堆内存中。
Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作GC堆（Garbage Collected Heap）
包含年轻代与老年代。年轻代分为Eden区与s0区，s1区。默认年轻代占堆的1/3，老年代2/3。Eden : s0 : s1=8 : 1 : 1。

（5）元空间（Program Counter Register）

线程共享的。
通常用来储存装载的类的元结构信息、常量、静态变量。
如果静态变量为对象类型，则存储一个指向堆的内存地址。

4、堆的GC回收机制

GC 一般分为 Minor GC 和 Full GC。Minor GC会在年轻代中触发，而Full GC是在老年代中触发。
GC回收的过程：
1. 当new 一个对象时，该对象会被放入Eden区，创建的对象越来越多，Eden区快满的时候会触发一次轻量级垃圾回收（Minor GC），会从gc root开始查找，将没有对象引用的对象给回收掉。
2. 未被回收的对象被放入S0区，Eden被清空，这些还存活的对象的分代年龄会+1。
3. 继续 new 对象，当Eden区再次快放满的时候，又会触发一次垃圾回收机制（Minor GC），将Eden区和 S0区从gc root开始查找，将没有对象引用的对象给回收掉。将未被回收的对象一起放入到S1区，S1区和 Eden区被清空，这些还存活的对象的分代年龄会+1。
4. 之后Eden区再次快放满的时候，又会触发一次垃圾回收机制（Minor GC），将Eden区和 S1区从gc root开始查找，将没有对象引用的对象给回收掉。将未被回收的对象一起放入到S0区，S1区和 Eden区被清空，这些还存活的对象的分代年龄会+1。
5. 对象的对象头中存储了分代年龄的存储信息，当这个对象的分代年龄达到了阈值（默认15），还没有被垃圾机制回收，则会将这些对象放入到老年代。
6. 以此类推，一再触发Minor GC，直到老年区存满，则会触发一次重量级垃圾回收机制（Full GC）。Full GC会回收整个堆和方法区。如果full gc后再存对象还是存不下，则会触发OOM异常。
在GC回收的时候会触发STW（stop the work），STW会暂停当前运行的线程，这个时候对用户来说会有明显的卡顿，因此JVM调优的目的就是减少STW的次数。

5、为什么要STW

因为每次gc的时候从gc root去查找对象是否存活的计算十分复杂，耗时很长。如果不暂停正在运行的线程，会出现一个对象可能在gc root检查的时候是存活对象，然后检查完后，移动到s0区之后对象执行完毕，被释放掉了。这个时候就浪费了之前的gc root检查。会导致当前的gc root检查出来的结果不正确。

6、JVM内存参数设置

Spring Boot程序的JVM参数设置格式(Tomcat启动直接加在bin目录下catalina.sh文件里)：
- ```
java -Xms2048M -Xmx2048M -Xmn1024M -Xss512K -XX:MetaspaceSize=256M -XX:MaxMetaspaceSize=256M -jar microservice-eureka-server.jar
```
- -Xss：每个线程的栈大小
- -Xms：设置堆的初始可用大小，默认物理内存的1/64
- -Xmx：设置堆的最大可用大小，默认物理内存的1/4
- -Xmn：新生代大小
- -XX:NewRatio：默认2表示新生代占年老代的1/2，占整个堆内存的1/3。
- -XX:SurvivorRatio：默认8表示一个survivor区占用1/8的Eden内存，即1/10的新生代内存。
- 关于元空间的JVM参数有两个：-XX:MetaspaceSize=N和 -XX:MaxMetaspaceSize=N
  - -XX：MaxMetaspaceSize：设置元空间最大值，默认是-1，即不限制，元空间最大的大小是系统内存的大小，元空间一直扩大，虚拟机可能会消耗完所有的可用系统内存。
  - -XX：MetaspaceSize：指定元空间触发Fullgc的初始阈值(元空间无固定初始大小)，如果不指定元空间的大小， 64位系统默认是21M左右，达到该值就会触发full gc进行类型卸载，同时收集器会对该值进行调整：如果释放了大量的空间，就适当降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过-XX：MaxMetaspaceSize（如果设置了的话）的情况下，适当提高该值。
- -XX:PermSize代表元空间（永久代）的初始容量，JDK8及以后已经没有了。
  - 由于调整元空间的大小需要Full GC，这是非常昂贵的操作，如果应用在启动的时候发生大量Full GC，通常都是由于永久代或元空间发生了大小调整，基于这种情况，一般建议在JVM参数中将MetaspaceSize和MaxMetaspaceSize设置成一样的值，并设置得比初始值要大，对于8G物理内存的机器来说，一般我会将这两个值都设置为256M。

StackOverflowError示例：

// JVM设置  -Xss128k(默认1M)
public class StackOverflowTest {
    
    static int count = 0;
    
    static void redo() {
        count++;
        redo();
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            redo();
        } catch (Throwable t) {
            t.printStackTrace();
            System.out.println(count);
        }
    }
}

运行结果：
java.lang.StackOverflowError
	at com.tuling.jvm.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:12)
	at com.tuling.jvm.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:13)
	at com.tuling.jvm.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:13)
   ......

结论：-Xss设置越小count值越小，说明一个线程栈里能分配的栈帧就越少，但是对JVM整体来说能开启的线程数会更多。

7、JVM内存参数大小该如何设置？

JVM参数大小设置并没有固定标准，需要根据实际项目情况分析，下面提供一个案例
日均百万级订单交易系统设置JVM参数案例
- 我们初次给服务器的内存参数设置如下
- ```
‐Xms3072M ‐Xmx3072M ‐Xss1M -XX:MetaspaceSize=512M ‐XX:MaxMetaspaceSize=512M

# ‐Xms3072M 表示堆初始化内存为3G
# -Xmx3072M 表示堆最大内存为3G
# -Xss1M 表示每个线程内存为1M
# -XX:MetaspaceSize=512M 表示元空间初始化内存为512M
# -XX:MaxMetaspaceSize=512M 表示元空间最大内存为512M

#因为堆的新生代：老年代比例大约是1：2， 即新生代为1G、老年代为2G。 在新生代中Eden区、S0区、S1区比例大约是8：1：1，即Eden区为800M，S0区为100M，S1区为100M。
```
- 由上图可知，生成对象首先会在Eden区，如果每秒产生60M对象，那么14秒后Eden区就会被占满，此时会触发Minor GC，第14秒产生的对象因为可能还会被引用所以没有被回收，根据垃圾回收机制存活的对象会被放到S0区，但是根据动态对象年龄判断原则，这60M对象同龄而且总和大于S0区的50%，那么这些对象都会被挪到老年代。14秒就会产生一个60M对象到老年代且1秒后就会变成垃圾，大概8分钟老年代的内存就会被沾满，就会触发Full GC。因为Full GC是重量级回收，如果每8分钟就要执行一次Full GC会导致系统性能很低。所以合理设置内存参数可以达到几乎不产生Full GC的效果。
- 我们再次给服务器的内存参数设置如下
- ```
-Xms3072M -Xmx3072M -Xmn2048M -Xss1M -XX:MetaspaceSize=256M -XX:MaxMetaspaceSize=256M


# ‐Xms3072M 表示堆初始化内存为3G
# -Xmx3072M 表示堆最大内存为3G
# -Xmn2048M 表示新生代大小为2G
# -Xss1M 表示每个线程内存为1M
# -XX:MetaspaceSize=512M 表示元空间初始化内存为512M
# -XX:MaxMetaspaceSize=512M 表示元空间最大内存为512M

#此时设置新生代为2G，所以老年代为1G。 在新生代中Eden区、S0区、S1区比例大约是8：1：1，即Eden区大约为1638M，S0区为205M，S1区为205M。
```
- 在重新设置了服务器内存参数后，我们再次分析：如果每秒产生60M对象，则需要大约27秒Eden区会被占满，此时触发Minor GC，第14秒产生的对象因为可能还会被引用所以没有被回收，根据垃圾回收机制存活的对象会被放到S0区，此时由于这60M对象同龄总和没有达到S0区的50%，不会直接进入老年代，因此在下一次Minor GC就会被回收。
合理设置内存参数可以达到几乎不产生Full GC的效果。
JVM优化核心思想：就是尽可能让对象都在新生代里分配和回收，尽量别让太多对象频繁进入老年代，避免频繁对老年代进行垃圾回收，同时给系统充足的内存大小，避免新生代频繁的进行垃圾回收。