JVM是Java语言可以跨平台、保持高发展的根本，没有了JVM. Java语言将失去运行环,境。针对Java程序的性能优化一定不可能避免针对JVM的调优，随着JVM的不断发展，我们的应对措施也在不断地跟随、变化，内存的使用逐渐变得越来越复杂。所有高级语言都需要垃圾回收机制的保护，所以GC就是这么重要。

JVM标准结构

类的加载机制

一：装载（load）

     由ClassLoader负责加载； （ClassNotFoundException）

二：链接（Link）

     校验（verify）、准备（Prepare）、初始化静态变量赋默认值；

            (NoClassDefFoundError)

三：初始化

     执行静态初始化代码、赋值静态变量。

ClassLoader

一：BootStrap ClassLoader

           由Sun用C++实现此类，JDK启动时负责加载jre/lib/rt.jar里的所有

           class，及java规范中定义的接口及实现；

二：Extension ClassLoader

    JVM用于加载扩展功能的jar包，如DNS.jar

           Jdk中的名称：sun.misc.Launcher$ExtClassLoader

三：System ClassLoader

           加载启动参数中指定ClassPath的Jar包

           Jdk中的名称： sun.misc.Launcher$AppClassLoader

          一般的程序使用的都是AppClassLoader

四：自定义ClassLoader

           用户也可以自定ClassLoader用于加载其他路径的Jar如网络上加载

类的执行机制

虽然类已加载成功且静态属性及实例对象皆以创建，但是，执行静态方法或者实例方法时仍需要对JVM字节码进行处理。

JVM有以下三种执行方式：

（1）：解释执行

（2）：编译执行

（3）：反射执行

解释执行

采用经典的冯诺依曼FDX循环方式，即获取下一条指令，解码并分派，然后执行。

解释执行的优点：简单、占资源少、启动速度快

解释执行的缺点：效率低

编译执行

JDK将字节码编译成机器码，编译在运行时进行，故称作JIT编译器(Just-in-time)•策略：对执行频率频繁的代码使用编译执行，对执行频率不高的仍采用解释执行

编译执行的两种方式：

（1）ClinetCompiler：又称C1较轻量级，java -client

（2）ServerCompiler: 又称C2 较重量级，java -server

Client Compiler

占用内存较少，适合于桌面应用•优化方法：

一：方法内联，将调用的方法指令直接植入到当前方法中；

二：去虚拟化，针对只有一个实现类的方法；

三：消除冗余，在编译时进行代码清理；

Server Compiler

C2采用了大量优化技巧，占内存较多，适合于服务器应用；

优化方法：标量替换、栈上分配、同步削除；

默认当CPU个数超过两个且内存超过2G自动采用Server模式，否则为Client模式，但在32位的windows上始终都是Client模式，可通过java-server强制使用Server模式，或者java-client强制使用client模式。

JVM内存管理

JVM内存结构图：

JVM方法区

用于存放类信息、类的属性、方法等信息。又称为持久代PermanentGeneration，默认最小值16MB，最大值64MB。持久代在一定条件下也会被GC（垃圾回收），当空间不够时，会抛出OutOfMemory错误信息。可通过-XX:PermSize -XX:MaxPermSize来指定最小最大值。

PC寄存器与方法栈每个线程均会创建自己的PC寄存器和方法栈。PC寄存器存放每条指令的地址。方法栈为线程私有，当方法执行完毕时，其栈帧所用内存会自动被回收。当栈空间不足时会抛出StackOverflowError，可通过设置-Xss来指定其大小，以避免空间不够用。

JVM堆

堆用于存储对象实例和数组值。在32位机上最大2GB,在64位机则无限制可通过-Xms设置最小值，默认为物理内存的1/64但小于1GG通过-Xmx设置最大值，默认为物理内存的1/4但小于1GB.默认当空余堆内存小于40%时，JVM会增大Heap到最大值，可通过-XX:MinHeapFreeRatio=来设定这个比例。当空余空间大于70%时，JVM会减小到最小值，可通过-XX:MaxHeapFreeRatio=来设定这个比例。为避免运行时JVM频繁调整Heap大小，通常将-Xms与-Xmx设成相同值。

JVM堆结构

新生代 new generation

大多数情况下Java创建的对象都从新生代分配。

新生代由Eden Space和两块大小相同的Survivor Space（又称S0和S1或者From和To）构成。可通过-Xmn指定新生代的大小。

-XX:SurvivorRatio来调整Eden和Survivor的大小比例。

旧生代 Old Generation

用于存放在新生代中多次回收仍然存活的对象。

有两种情况新建的对象会直接在老生代分配:

通过设置-XX:PretenureSizeThreshold,当新对象大小超过设定值时直接在老生代分配，但是当新生代采用Parallel Scavenge GC时该设置无效。另一种是大的数组对象，且数组中无引用外部对象。

旧生代的大小为-Xmx减去-Xmn的值。

内存回收-GC

所谓内存回收就是我们所熟知的GC(Garbage Collection)垃圾回收。

JVM通过GC来回收堆和方法区的内存，GC的原理为首先找到内存中不再被引用的对象，然后回收。

通常采用收集器的方式来实现GC，主要的收集器有引用计数收集器和跟踪收集器。

引用计数收集器

引用计数收集器通过记录对象的引用次数，当次数为零时，可进行回收。

但当出现循环引用时该收集方法则无法回收：

所以引用计数方式不适合面向对象这种有复杂引用关系的语言，SunJDK在实现GC时也未使用过此方式。

跟踪收集器

跟踪收集器采用集中式的管理方式，全局记录数据的引用状态。基于一定的条件触发例如：空间不足，定时。

执行时需要从根对象来扫描对象间的引用关系，这会造成应用的暂停。

主要实现算法有：赋值（Copying）、标记-清除（Mark-Sweep）、标记-压缩（Mark-Compact）。

复制算法-Copying

复制算法采用的方式为从根集合扫描出存活的对象，并将存活的对象复制到一块新的完全未使用的空间。

当存活对象少时，Copying算法是很高效的，其代价是需要一块新的存储区和进行对象移动。

标记-清除 Mark-Sweep

标记-清除采用的方式为从根集合开始扫描，对存活的对象进行标记，标记完成后，对未被标记的对象进行扫描并回收。

Mark-Sweep不需进行对象移动，且仅对不存活的对象进行处理。在空间存活对象较多的情况下较为高效，但会形成内存碎片。

标记-压缩 Mark-Compact

标记-压缩与标记-清除的不同在于，对回收的内存空间进行压缩，即所有存活的对象都往左端空闲的空间进行移动，并更新引用对象的指针。

该算法的好处在于不产生内存碎片，减少OutOfMemory的风险，缺点是移动对象的成本较高。

新生代可用GC

新生代的大多数对象存活时间较短，故采用了Copying算法。

新生代的GC又叫Minor GC。

Minor GC有三种回收方式：串行GC（Serial GC）、并行回收GC（Parallel Scavenge）、并行GC（ParNew）。

串行GC（Serial GC）

串行GC从根集合扫描存活的对象。JVM认为根对象为当前线程栈上引用的对象、常量、静态变量、传到本地方法还未被释放的引用。

串行GC扫描存活的对象，然后将存活的对象复制到S0或S1中（S0与S1同时只能有一个被使用，另一个为空）。

为了避免扫描过程中引用关系的改变，JDK采用了暂停应用的方式。

通常只有经过几次MinorGC仍存活的对象才放入旧生代中。该次数可通过-XX:MaxTenuringThreshold设置（只在串行与ParNew方式下生效默认值为15）。但该项并不是唯一的规则。串行和ParNew在每次GC后计算可存活的次数，规则为累计每个age对象占用的内存，如果累计超过SurvivorSpace的一半，则以age为准，否则，以MaxTenuringThreshold为准。

如果ToSpace空间满则直接转入旧生代。

SerialGC采用单线程方式，适用于单CPU，对暂停时间要求不高的应用，也是Client级别（CPU小于2个或物理内存小于2GB，或32位Windows机器上）的GC方式，可通过-XX:+UseSerialGC来强制执行。

并行回收GC（Parallel Scavenge）

当采用PSGC时，默认ServivorRatio比使用-XX:InitialSurvivorRatio来设置，如果不设置该项，则默认为6：1。

一般情况下PSGC会自动调整Survivor比例，可通过-XX:-UseAdaptiveSizePolicy来固定Survivor比例。

PSGC不是根据-XX:PretenureSizeThreshold来决定对象是否直接在旧生代分配，而是当，EdenSpace空间不够的情况下，而此对象的大小大于等于EdenSpace一半的大小，则直接在旧生代分配（该情况应该比较少见）。

并行回收适合多CPU、对暂停时间要求较短的应用。是Server级别的默认GC方式，也可通过-XX:+UseParallelGC来强制指定。

默认的执行线程数与CPU的核数相同，但当CPU核数大于8时，其计算公式为:3+(CPU核数*5)/8，也可通过-XX:ParallelGCThreads来强制指定线程数。

并行GC（ParNew）

在SurvivorRatio分配上与串行GC的策略一样

并行GC的不同之处在于须配合旧生代的CMS GC使用，由于CMS是并发进行的，若此时发生MinorGC需要做相应的处理。

当采用CMSGC时，新生代默认采用并行GC，也可使用+XX:+UseParNewGC来强制指定。

旧生代与持久代GC

JDK提供三种旧生代GC方式：串行、并行、并发。

串行基于Mark-Sweep-Compact实现，首先从根集合对象扫描，然后按照三色着色算法标识对象；扫描未标识的对象并将其回收；执行滑动压缩，将存活的对象向旧生代的开始处滑动，最后留出一块连续的到结尾处的空间。

旧生代串行GC

串行GC是Client级别机器和32位Windows机器上采用的方式，可通过-XX:+UseSerialGC来强制指定；

串行的整个执行过程需要暂停应用，且是单线程进行，通常会花费很长时间，可通过-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime来查看GC造成的应用停止时间。

旧生代并行Compacting

旧生代的并行Compacting通过以下三步来完成：

首先将旧生代分为并行线程个数个区regions并行地进行着色；

然后从左边扫描regions,直到找到第一个值得进行压缩的region，并将此region左边的region作为高密区(dense prefix),对这些区域不进行回收，继续向右扫描，找到需要进行压缩的源region和目标region。此过程为单线程进行。

最后基于regions上的分析，并行地进行压缩和region回收。

较之串行并行大部分时间是并行进行，故造成的应用暂停时间会缩短。

并行GC是Server级别机器上默认采用的GC方式，可通过-XX:+UseParallelOldGC指定使用ParallelCompacting， -XX:+UseParallelGC指定Parallel-Mark-Sweep。

并发(CMS:Concurrent Mark-Sweep)

CMS主要采用Mark-Sweep方式，因为会产生较多内存碎片，故不能用bump-the-pointer分配，而采用free list分配。

Free List方式导致MinorGC速度下降。

CMSGC的回收过程为以下四步：

1.第一次标记（Initial Making）

该步骤暂停整个应用，从根集合到旧生代扫描可直接访问的对象，并着色，将着色的对象用一个外部的bit数组进行记录。

2.并发标记（Concurrent Making）

该步骤恢复所有应用，对着色过的对象进行轮询，标记这些对象可访问的对象。

为解决MinorGC造成的旧生代引用关系的改变，CMS采用Mod Union Table记录每次MinorGC后修改的Card信息。（旧生代的根对象）

采用Card Table记录与应用并发时的dirty对象

3.重新标记（Final Marking）

该步骤暂停整个应用，主要任务是对ConcurrentSweeping时新建的对象及Mod Union Table和Card Table中的对象进行扫描，并重新着色。

4.并发收集（Concurrent Sweeping）

恢复所有应用线程，将没有标记的对象回收，回收时，CMS会将相邻的两个区域合并成一个新的大的区域。