JVM概览

内建的JIT编译器，日渐成熟的垃圾收集器和不断改进的运行时环境（JVM Runtime Environment），使得Java应用的性能都能达到要求。但是许多Java技术人员只把JVM看成黑盒，若要提高Java性能调优的能力，必须对现代JVM有些基本认识。
HotSpot Java虚拟机有3个主要组件：VM运行时（Runtime）、JIT编译器（JIT Compiler）以及内存管理器（Memory Manager）。

HotSpot VM的基本架构

• JIT 编译器和垃圾收集器（Serial、Throughput、 CMS、 G1）是可插拔的。
• VM运行时系统为HotSpot JIT编译器和垃圾收集器提供服务和通用API。此外，它还为VM提供启动、线程管理、JNI等基本功能。
• 64位VM oops（Ordinary Object Pointers 普通对象指针）的长度从32位变成64位，使得其CPU缓存的效率降低。HotSpot VM通过压缩指针（–XX:+UseCompressedOops）来提升性能。

HotSpot VM运行时

HotSpot VM运行时环境担当相当多的责任，包括命令行解析、VM生命周期管理、类加载、字节码解释、异常处理、同步、线程管理、Java本地接口、VM致命错误处理和C++堆管理。

命令行选项

• 标准选项 ，所有Java虚拟机都必须实现的选项
• 非标准选项，不保证、也不强调所有JVM实现都必须支持，以-X为前缀
• 非稳定选项，为了特定需要而对JVM的运行进行校正，并且可能需要有系统配置参数的访问权限， 以-XX为前缀。
• 对于带有布尔标记的非稳定选项来说，选项名前的+或-表示true或者false。

VM类加载

• 加载； Java API如Class.forName()、ClassLoader.loadClass()、反射API和JNI_FindClass都可以引发类加载。对于给定的Java类或接口，类加载时会依据它的名字找到Java类二进制类文件，定义Java类，然后创建代表这个类或者接口的java.lang.Class对象。如果找不到二进制表示，就会抛出NoClassDefFound。
• 链接
  
  • 验证；检查类文件的语义、常量池符号以及类型。如果有错，就会抛出VerifyError
  • 准备；创建静态字段，初始化为标准默认值，以及分配方法表，此时还没有执行任何Java代码。
  • 解析符号引用
• 初始化类；运行类构造器
• 处于性能优化的考虑，通常直到类初始化时，HotSpot VM才会加载和链接类。

类加载器委派

• 类加载器之间是层级关系，每个类加载器都可以为派给上一级类加载器。
• 类加载器的层级查找顺序为启动类加载器、扩展类加载器、系统类加载器（应用程序类加载器）
• Java的类型由全限定名和类加载器唯一确定，类加载器定义了命名空间
• 需要用一篇文章详细解释

解释器

• 基于模板，TemplateTable包含与每个字节码对应的机器代码，每个模板描述一个字节码。
• JVM持续动态监控热点，通过JIT，动态生成机器码（JIT编译代码），集中优化这些热点。

同步

同样需要一篇文正详细解释

• 使用线程实现并发
• 使用monitor对象保障线程运行代码之间的互斥。monitor可以锁定或者解锁，但任何时刻只能有一个线程拥有该monitor对象

Java Monitor 从两个方面来支持线程之间的同步，即：互斥执行与协作。 Java 使用对象锁 ( 使用 synchronized 获得对象锁 ) 保证工作在共享的数据集上的线程互斥执行 , 使用 notify/notifyAll/wait 方法来协同不同线程之间的工作。这些方法在 Object 类上被定义，会被所有的 Java 对象自动继承。
实质上，Java 的 Object 类本身就是监视者对象，Java 语言对于这样一个典型并发设计模式做了内建的支持。下图很好地描述了 Java Monitor 的工作机理。

• 偏向锁，其核心的思想是，如果程序没有竞争，则取消之前已经取得锁的线程同步操作。也就是说，若某一锁被线程获取后，便进入偏向模式，当线程再次请求这个锁时，就无需再进行相关的同步操作了，从而节约了操作时间，如果在此之间有其他的线程进行了锁请求，则锁退出偏向模式。在JVM中使用-XX:+UseBiasedLocking

线程管理

• 线程模型：Java线程（java.lang.Thread实例）被一对一映射为本地操作系统线程
• 线程状态
  
  • 新线程
  • 线程在Java中：线程正在执行Java代码
  • 线程在VM中：线程正在HotSpot VM中执行
  • 线程阻塞：线程因某种原因而被阻塞
• 安全点：这么一种状态，所有的Java执行线程都会被阻塞，任何执行本地代码的线程都不能返回Java代码。比如GC 的Stop-The-World阶段是安全点操作。

HotSpot VM垃圾收集器

几个特点：

• 分代垃圾收集；HotSpot VM将堆分成两个物理区：新生代（Minor GC）、老年代（Major GC）。永久代虽然称为代，但是实际上不应该看作分代层次的一部分。VM只是用它来存储元数据，例如类的数据结构、保留字符串（Interned String）等。
  

• 垃圾收集器使用称为卡表（Card Table）的数据结构，使其不用扫描整个老年代就能识别新生代中的存活对象，从而缩短Minor GC的时间。

• Minor GC，Eden中的存活对象被复制到未使用的Survivor。被占用Survivor里不够老的存活对象也被复制到未使用的Survivor。最后Survivor里足够老的存活对象被提升到老年代。假如Survivor不足以容纳Eden和另一个Survivor中的存活对象，称作Survivor存活对象溢出，多余的对象将被移到老年代，这成为过早提升。应该调优尽量避免。

• 快速内存分配。大部分新生对象都是在Eden上（想想为什么），因为Minor GC以复制方式回收新生代，其好处在于回收以后Eden总为空，在Eden中运用被称为指针碰撞的技术就可以有效分配空间。这种技术追踪最后一个分配的对象（称为top），当新的分配请求时，分配器只需要检查top和Eden末端之间的空间是否能够容纳。如果能够容纳，top跳到新近分配对象的末端。而且VM采用线程本地分配缓冲区(TLAB),为每个线程设置各自的缓冲区，避免锁的使用。

垃圾收集器

分为三类：

• Serial收集器

  年轻代采用复制算法，即 Eden + From –> To + 老年代
  老年代采用滑动压缩标记-清除算法(Sliding Compacting Mark-Sweep),也称为**标记-压缩（Mark-Compa
  ct）**垃圾收集器。
  Serial收集器适合大多数对停顿时间要求不高和在客户端运行的应用。
  Stop-The-World

• Parallel 收集器

  HotSpot VM中能够并行的垃圾收集器包括Parallel Scavenge 收集器（年轻代）、ParNew收集器（年轻代）和Parallel Old收集器。
  Throughput收集器通常特指Parallel Scavenge收集器
  可以把ParNew收集器和Parallel Old收集器认为是Serial的并行版本。老年代采用标记-压缩，年轻代采用复制算法。
  主要关注应用的吞吐量
  Stop-The-World

• CMS

Mostly-Concurrent收集器，也称为并发标记清除收集器（Concurrent Mark-Sweep GC、CMS收集器）
老年代垃圾收集器，年轻代可以是Serial 或者 ParNew
与Parallel 收集器相比，CMS老年代停顿变短，但代价是新生代停顿略微拉长、吞吐量有所降低、堆的大小有所增长，并且由于并发，垃圾收集还会占用应用的CPU周期。

G1收集器将分单独章节解释。
需要思考的几个问题：
对象池化适用于什么情况？（Netty 大量使用）
堆外内存适用于什么情况？