极客大学架构师训练营 JVM虚拟机原理 Java编程优化 第17课 听课总结
说明
讲师：李智慧
JVM虚拟机原理
JVM 组成架构
Java 是一种跨平台的语言，JVM 屏蔽了底层系统的不同，为Java 字节码文件构造了一个统一的运行环境。
Windows, Mac OS, Android OS每个不同的环境下，执行引擎会不一样, 实现跨平台。
Tomcat 启动命令
java org.apache.catalina.startup.Bootstrap "@" start
当启动Tomcat之前，先会初始化JVM 虚拟机，Java虚拟机会启动一个主线程，Bootstrap会执行main方法，在方法区。 new 出来的对象A，是放在堆中的，创建对象是由执行引擎处理的。
Java字节码文件
Java 如何实现在不同操作系统、不同硬件平台上，都可以不用修改代码就能顺畅地执行？
计算机领域的任何问题都可以通过增加个中间层(虚拟层)来解决。
Java 所有的指令有 200 个左右，一个字节(8位)可以存储256种不同的指令信息，一个这样的字节称为字节码(Bytecode). 在代码的执行过程中，JVM将字节码解释执行，屏蔽对底层操作系统的依赖，JVM也可以将字节码编译执行，如果是热点代码，会通过JIT（just-in-time compilation即时编译）动态地编译为机器码，提高执行效率。
cafe babe 表示Java的字节码。
字节码执行流程
热点代码就提交编译，达到复用的效果。
Java 字节码文件编译过程
类加载器的双亲委托模型
低层次的当前类加载器，不能覆盖更高层次类加载器已经加载的类。如果低层次的类加载器想加载一个未知类，需要上级类加载器确认。只有当上级类加载器没有加载过这个类，也允许加载的时候，才让当前类加载器加载这个未知类。
自定义类加载器
堆 & 栈
堆：每个JVM实例唯一对应一个堆。应用程序在运行中所创建的所有类实例或数组都放在这个堆中，并由应用所有的线程共享。
堆栈：JVM为每个新创建的线程都分配一个堆栈。也就是说，对于一个 Java 程序来说，它的运行就是通过对堆栈的操作来完成的。
Java 中所有对象的存储空间都是在堆中分配的，但是这个对象的引用却是在堆栈中分配，也就是说在创建一个对象时从两个地方都分配内存。在堆中分配的内存实际建立这个对象，而在堆栈中分配的内存只是一个指向这个堆对象的引用而已。
方法区 & 程序计数器
方法区主要存放从磁盘加载进来的字节码，而在程序运行过程中创建的类实例则存放在堆里。程序运行的时候，实际上是以线程为单位运行的，当JVM进入启动类的 main 方法的时候，就会为应用程序创建一个主线程。 main 方法里的代码就会被这个主线程执行，每个线程有自己的 Java 栈，栈里存放着方法运行期的局部变量。而当前线程执行到哪一行字节码指令，这个信息则被存放在程序计数寄存器。
静态变量、静态方法放在方法区，只会有一个。
Java (线程)栈
所有在方法内定义的基本数据类型变量，都会被每个运行这个方法的线程放入自己的栈中，线程的栈彼此隔离，所以这些变量一定是线程安全的。
线程工作内存 & volatile
Java 内存模型规定在多线程情况下，线程操作主内存变量，需要通过线程独有的工作内存拷贝主内存变量副本来进行。
一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile 修饰之后，那么就具备了两层语义：
工作内存：CPU的cache，寄存器。
用volatile修饰的变量，当该变量被修改时，确保数据刷到主内存中。保证数据的可见性，并不能保证数据的安全性，还是得需要锁。
Java 运行环境
JVM 的垃圾回收
JVM 垃圾回收即使将 JVM 堆中的已经不再被使用的对象清理掉，释放宝贵的内存资源。
JVM 通过一种可达性分析算法进行垃圾对象的标识。具体过程是：
进行完标记以后，JVM 就会对垃圾对象占用的内存进行回收，回收主要有三种方法：
清理：把已经没用的空间标记为可用空间。
压缩：清理有个短板，空间不是连续的，压缩就是把还在用的copy放在前面。
复制：压缩还是需要成本的，速度较慢；分两块区域会更好一点。
JVM 分代垃圾回收
JVM垃圾回收器算法
G1垃圾回收内存管理机制
把大的内存分为2000个小块。
配置参数：
Java 启动参数
标准参数，所有的JVM 实现都必须实现这些参数的功能，而且向后兼容：
运行模式：
类加载路径:
运行调试:
系统遍历:
非标准参数，默认 JVM 实现这些参数，但不保证所有 JVM 实现都实现，且不保证向后兼容：
初始堆大小
最大堆大小
新生代大小
线程堆栈大小
一般 和 都是配置一样的。
非 Stable 参数，此类参数各个 JVM 实现会有所不同，将来可能会随时取消
启用 CMS 垃圾回收
JVM 性能诊断工具
基本工具： JPS, JSTAT, JMAP, JSTACK
集成工具： JConsole, JVisualVM
JPS
JPS 用来查看 host 上运行的所有 java 进程 pid (jvmid), 一般情况下所用这个工具的目的只是为了找出运行 JVM 继承 ID，即 Ivmid，然后可以进一步使用其它的工具来监控和分析 JVM。
常用的几个参数：
输出 java 应用程序的 main class 的完整包
仅显示 pid，不显示其它任何相关信息
输出传递给 main 方法的参数
输出传递给 JVM 的参数。在诊断 JVM 相关问题的时候，这个参数可以查看 JVM 相关参数设置。
JSTAT
JSTAT (Java Virtual Machine statistics monitoring tool) 是 JDK 自带的一个轻量级小工具。主要对 Java 应用程序的资源和性能进行实时的命令行的监控，包括了对 Heap size 和垃圾回收情况的监控。
语法结构如下：
-- 选项，我们一般使用 查看 gc 情况。
-- VM 的进程号，即当前运行的 java 进程号。
-- 间隔时间，单位为毫秒。
-- 打印次数，如果缺省则打印无数次。
参数解析：
S0 -- Heap 上的 Survivor sapce 0 区已经使用空间的百分比；
S1 -- Heap 上的 Survivor sapce 1 区已经使用空间的百分比；
E -- Heap 上的 Eden sapce 区已经使用空间的百分比；
O -- Heap 上的 Old sapce 区已经使用空间的百分比；
YGC -- 从应用程序启动到采样时发生 Young GC 的次数；
YGCT -- 从应用程序启动到采样时发生 Young GC 所用的时间（单位秒）；
FGC -- 从应用程序启动到采样时发生 Full GC 的次数；
FGCT -- 从应用程序启动到采样时发生 Full GC 所用的时间（单位秒）；
GCT -- 从应用程序启动到采样时用于垃圾回收的总时间（单位秒）.
JMAP
JMAP 是一个可以输出所有内存中对象的工具，甚至可以将 JVM 中的 heap，以二进制输出成文本。
使用方法：
可以将其保存到文本中去，在一段时间后，使用文本对比工具，可以对比出GC回收了哪些对象。
可以将该 PID 进程的内存 heap 输出出来到 f1 文件里。
JSTAK
Jstack 可以查看jvm内的线程堆栈信息
JCONSOL
JVISULVM
Java代码优化
合理并谨慎使用多线程
使用场景（I/O 阻塞，多 CPU 并发）
资源争用与同步问题
java.util.concurrrent
启动线程数 = [任务执行时间 / (任务执行时间 - IO 等待时间)] * CPU 内核数
最佳启动线程数和 CPU 内核数量成正比，和 IO 阻塞时间成反比。如果任务都是 CPU 计算型任务，那么线程数最多不超过 CPU 内核数，因为启动再多线程， CPU 也来不及调度；
相反如果是任务需要等待磁盘操作，网络响应，那么多启动线程有助于提高任务并发度，提高系统吞吐能力，改善系统性能。
竞态条件与临界区
在同一程序中运行多个线程本身不会导致问题，问题在于多个线程访问了相同的资源。
当两个线程竞争同一资源时，如果对资源的访问顺序敏感，就存在竞态条件。导致竞态条件发生的代码区称作临界区。
在临界区中使用适当的同步就可以避免竞态条件。
Java 线程安全
允许被多个线程安全执行的代码称作线程安全的代码。
方法局部变量：局部变量存储在线程自己的栈中。也就是说，局部变量永远也不会被多个线程共享。所以基础类型的局部变量是线程安全的。
方法局部的对象引用：如果在某个方法中创建的对象不会逃逸出该方法，那么它就是线程安全的。
对象成员变量：对象成员存储在对上。如果两个线程同时更新同一个对象的同一个成员，那么这个代码就不是线程安全的。
问题
多线程来自于容器。
不安全回答：Servlet是单实例的。所以多个线程访问的时候，就会访问堆中的变量，所以是不安全的。
安全回答：一个Servlet本身是安全，但是你写了一个不安全的类，那么就是不安全的。
ThreadLocal
ThreadLocal 每个线程都单独维护自己的值
创建一个 ThreadLocal 变量（X类静态成员变量）：
存储此对象的值（A类 a方法）：
读取一个 ThreadLocal 对象的值 （B类 b 方法）：
ThreadLocal 的值都放在堆里面(既是共享的)，每个线程都单独维护自己的值(又是独享的).
这是怎么办到的？ 看看源码：
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap = map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}t是线程的成员变量，所以获取到的就是自己的。
public Thread getMap(Thread t) {
return t.threadLocals;
}Java 内存泄漏
Java 内存泄漏是由于开发人员的错误引起的。
如果程序保留对永远不再使用的对象的引用，这些对象将会占用并耗尽对象。
长生命周期对象；
静态容器；
缓存。
解决办法：创建弱引用对象。
合理使用线程池和对象池
复用线程或对象资源，避免在程序的生命周期中创建和删除大量对象。
池管理算法（记录哪些对象是空的）
合理使用线程池和对象池
复用线程或对象资源，避免在程序的生命周期中创建和删除大量对象。
池管理算法（记录哪些对象是空闲的，哪些对象正在使用）。
对象内容清除（ThreadLocal 的清空）。
使用合适的 JDK 容器类 (顺序表，链表，Hash)
LinkList和ArrayList 的区别及适用场景。
HashMap 的算法实现及应用场景。
使用 concurrent 包，ConcurrentHashMap 和 HashMap 的线程安全特性有什么不同？
缩短对象生命周期，加速垃圾回收
减少对象驻留内存的时间。
在使用时创建对象，用完释放。
创建对象的步骤（静态代码段 - 静态成员变量 - 父类构造函数 - 子类构造函数）
不用的对象，把对象设置为null，这样在在GC的时候就会被回收。
public class StaticClass {
static {
A a= new A();
}
public static void cc() {
System.out.println("cc()");
}
}使用 I/O buffer 及 NIO
延迟写与提前读策略
异步无阻塞 IO 通信
优先使用组合代替继承
减少对象耦合
避免太深的继承层次带来的对象创建性能损失。
合理使用单例模式
无状态对象
线程安全
虚拟化所有层次
计算机的任何问题都可以通过间接层解决。
一致性 Hash 算法的虚拟化实现。
面向接口编程。
7层网络协议。