jvm基础概念
1.1 什么是JVM?
JVM（Java Virtual Machine，Java 虚拟机）是一种运行 Java 字节码的虚拟化平台。JVM 的主要作用是将编译后的 Java 字节码（.class 文件）转换为机器指令，使其能够在不同平台上运行，而不需要修改代码。通过这种机制，Java 实现了“一次编写，处处运行”的跨平台特性。
1.2 jvm的功能
JVM 的关键功能包括：
- 解释和执行字节码：JVM 将字节码转换为平台相关的机器指令，并负责执行这些指令。
- 内存管理：JVM 提供垃圾回收机制，自动管理内存分配和释放，避免了手动内存管理导致的内存泄漏等问题。
- 安全性和隔离：JVM 提供沙箱机制，确保 Java 应用的安全性，避免恶意代码对底层操作系统的直接访问。
JVM 也支持其他编程语言（如 Kotlin、Scala 等），只要这些语言编译后的字节码符合 JVM 规范。
1.3 jvm的组成
JVM（Java 虚拟机）的组成可以分为以下几个主要部分，它们共同负责字节码的加载、解释、执行以及内存管理等工作：
1. 类加载子系统（Class Loader Subsystem）
负责将 Java 字节码（.class 文件）加载到内存中，并且按照需求将类动态加载到 JVM。它的主要任务是查找并加载类文件，并在 JVM 中创建相应的类对象。类加载子系统包括以下三个阶段：
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加载（Loading）：读取字节码文件并转换为类的内存表示，javap -v，jclasslib，arthas（dump命令）工具打开。
类加载器的双亲委派机制： -
双亲委派机制的核心思想是：当一个类加载器收到加载类的请求时，它不会立即自己去加载该类，而是将该请求委派给它的父类加载器，父类加载器再将请求委派给它的父类加载器，直到最顶层的根类加载器（通常是引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）。如果父类加载器无法完成类的加载，才会让子类加载器自己尝试去加载。
这种机制保证了类加载的一致性，特别是像
java.lang.Object这样的核心类，总是由引导类加载器加载，这样可以避免多次加载同一个类或被不可信的类加载器覆盖。尽管双亲委派机制是 Java 类加载的一项重要原则，但在某些特殊情况下，可能会被打破，比如：SPI（Service Provider Interface）机制：Java 中的 SPI 机制会用自定义的类加载器来加载服务接口的实现类。OSGi 和 Tomcat 等框架：这些框架有自己的类加载机制，用于实现模块化或动态加载类。
- 链接（Linking）：将类的二进制表示合并到 JVM 中，包括验证、准备和解析。
- 初始化（Initialization）：执行静态初始化器和静态字段赋值。
2. 运行时数据区（Runtime Data Area）
JVM 在执行 Java 程序时使用的内存区域，可以分为以下几个部分：
- 方法区（Method Area）：存储类的结构信息（如字段、方法、常量等）和静态变量。
- 堆（Heap）：存储所有 Java 对象和数组，是 JVM 内存的最大组成部分，由垃圾回收器管理，也可向栈一样设置堆大小，-Xms，一般和栈的容量设置相同的值，避免堆内存的申请和收缩收到影响。
- 栈（Java Stack）：每个线程都会有自己的栈，用于存储栈帧：局部变量、操作数栈、方法调用，异常表，动态链接（帧数据）等，可能会数据溢出，一般为1024的倍数大小，也可以自定义栈内存大小-XSS1g，一般为-xss1k到xss1025m。
- 程序计数器（PC Register）：每个线程都有自己的程序计数器，用于指示当前执行的字节码指令地址，不会发生内存溢出的。
- 本地方法栈（Native Method Stack）：为调用本地方法（非 Java 编写的方法）提供支持。
3. 执行引擎（Execution Engine）
执行引擎负责执行字节码，它将字节码解释为机器指令并交给 CPU 执行。执行引擎包括：
- 解释器（Interpreter）：逐行解释并执行字节码，速度较慢。
- 即时编译器（JIT Compiler, Just-In-Time Compiler）：将经常执行的字节码编译为机器码，提高执行效率。
- 垃圾回收器（Garbage Collector）：自动管理堆内存，负责回收不再使用的对象，避免内存泄漏。
内存泄漏指的是不再使用的对象在系统中未被回收，内存泄漏的积累可能会导致内存溢出。
java中为了简化对象的释放，引入了自动的垃圾回收(Garbage Collection简称GC)机制。通过垃圾回收器来对不再使用的对象完成自动的回收，垃圾回收器主要负责对堆上的内存进行回收。其他很多现代语言比如C#、Python、Go都拥有自己的垃圾回收器。
几种常见的对象引用
可达性算法中描述的对象引用，一般指的是强引用，即是GCRoot对象对普通对象有引用关系，只要这层关系存在普通对象就不会被回收。除了强引用之外，Java中还设计了几种其他引用方式：软引用。弱引用。虚引用。终结器引用。弱引用主要在ThreadLocal中使用。弱引用对象本身也可以使用引用队列进行回收。
4. 本地方法接口（Native Interface）
JNI（Java Native Interface）允许 Java 程序调用本地（Native）代码，比如用 C 或 C++ 编写的程序。通过 JNI，Java 可以与操作系统或硬件进行交互。
5. 垃圾回收（Garbage Collection, GC）
垃圾回收器负责自动管理 JVM 堆内存，跟踪对象的生命周期，并回收不再使用的内存空间。垃圾回收器通常使用算法如标记-清除（Mark-and-Sweep）、复制、分代GC、标记-整理（Mark-and-Compact）等来完成垃圾回收工作。-verbose:gc
1.标记清除
优点:实现简单，只需要在第一阶段给每个对象维护标志位，第二阶段删除对象即可。缺点:1.碎片化问题
由于内存是连续的，所以在对象被删除之后，内存中会出现很多细小的可用内存单元。如果我们需要的是一个比较大的空间，很有可能这些内存单元的大小过小无法进行分配。
2.分配速度慢。由于内存碎片的存在，需要维护一个空闲链表，极有可能发生每次需要遍历到链表的最后才能获得合适的内存空间。
2.复制算法
吞吐量高
复制算法只需要遍历一次存活对象复制到To空间即可，比标记-整理算法少了一次遍历的过程，因而性能较好，但是不如标记-清除算法，因为标记清除算法不需要进行对象的移动
内存使用效率低
每次只能让一半的内存空间来为创建对象使用
不会发生碎片化
复制算法在复制之后就会将对象按顺序放入To空间中，所以对象以外的区域都是可用空间，不存在碎片化内存空间。
3.标记整理算法
内存使用效率高
整个堆内存都可以使用，不会像复制算法只能使用半个堆内存
不会发生碎片化
整理阶段的效率不高
整理算法有很多种，比如Lisp2整理算法需要对整个堆中的对象搜索3次，整体性能不佳。可以通过Two-Finger、表格算法、ImmixGc等高效的整理算法优化此阶段的性能
在整理阶段可以将对象往内存的一侧进行移动，剩下的空间都是可以分配对象的有效空间
G1垃圾回收器（Garbage First Garbage Collector，简称G1 GC）是Java虚拟机的一种高效的垃圾回收算法，主要用于替代传统的CMS（Concurrent Mark-Sweep）收集器。它特别适合处理具有大堆内存和对低停顿时间要求高的应用场景。
G1 GC的特点
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区域划分（Region-based memory layout）:
- 堆内存被划分成多个大小相同的区域（Regions），每个区域可能属于年轻代或老年代，避免了固定代空间大小的限制。
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并发处理:
- G1能够在执行应用程序的同时进行垃圾回收，减少了应用程序的停顿时间。
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分阶段回收:
- G1分为几个阶段进行回收：初始标记、并发标记、最终标记、筛选回收。尤其在“并发标记”阶段，GC可以和应用程序并发执行，不会长时间阻塞应用。
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可预测的停顿时间:
- G1通过目标停顿时间来进行优化，允许开发人员设定一个最大停顿时间的目标，GC会根据此目标调整回收过程中的行为。
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垃圾优先回收:
- G1根据各个区域的垃圾占比，优先回收垃圾最多的区域，最大限度地提高回收效率。
G1 GC的工作过程
G1 GC的过程可以分为以下几步：
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年轻代垃圾回收（Young GC）: 处理年轻代中的对象，对象如果存活会晋升到老年代。
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并发标记（Concurrent Marking）: 标记堆内存中的存活对象，计算每个区域的存活对象占比，识别出包含最多垃圾的区域。
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混合回收（Mixed GC）: 除了清理年轻代，还会清理一些老年代的区域，尤其是那些垃圾占比高的区域。
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完全回收（Full GC）: 当内存使用情况非常紧张时，可能会触发完全回收，但这是G1 GC尽力避免的情况，因为它会导致较长的停顿时间。
G1 GC的调优参数
-XX:MaxGCPauseMillis=<N>：设定最大垃圾回收停顿时间的目标（毫秒）。G1 GC会尽量优化以满足这个目标。-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=<N>：在堆内存使用量达到该百分比时开始并发标记阶段，默认是45%。-XX:G1ReservePercent=<N>：保留堆内存的百分比，用于避免在垃圾回收时出现内存不足的情况。
G1 GC非常适合用于处理大规模应用程序，特别是那些对GC停顿时间敏感的场景。
垃圾回收器的组合关系虽然很多，但是针对几个特定的版本，比较好的组合选择如下:
JDK8及之前:
ParNew +CMS(关注暂停时间)Parallel Scavenge + Parallel Old (关注吞吐量)、 G1(JDK8之前不建议，较大堆并且关注暂停时间)
JDK9之后:
G1(默认)
从JDK9之后，由于G1日趋成熟，JDK默认的垃圾回收器已经修改为G1，所以强烈建议在生产环境上使用G1。