JVM 是一个虚构出来的计算机，通过在实际计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java 源程序（.java 文件）在经过 Java 编译器编译后成为 Java 字节码文件（.class 文件）。但是 CPU 只认识机器码，不认识字节码，所以 Java 程序要想执行，必须通过 JVM 把字节码转换为机器码。在不同的平台上，字节码是一样的但是虚拟机不同，运行在不同平台上的虚拟机将相同的字节码解释给不同平台上的 CPU，这样，Java 程序就可以做到一次编译、处处运行了。

类加载器将字节码文件加载到内存中的方法区，然后在堆中生成这个类的 Class 对象，作为方法区中类数据的访问入口。

加载：

验证：保证被加载类的正确性（文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证）

准备：为类变量分配内存，并且设置类变量的默认初始值

解析：把常量池中的符号引用转换为直接引用

初始化：执行类构造方法 的过程

使用：包括主动引用和被动引用，主动引用会引起类的初始化，而被动引用不会引起类的初始化

卸载：类需要同时满足下面 3 个条件就进行卸载

双亲委派机制避免类的重复加载，同时防止核心 API 被随意篡改。

沙箱安全机制就是 Java 代码限定在虚拟机 JVM 特定的运行范围中，并且严格限制代码对本地资源的访问，通过这样的措施来保证对代码的有效隔离，防止对本地系统造成破坏。

沙箱主要限制系统资源访问，例如 CPU、内存、文件系统、网络。沙箱机制引入了域（Domain）的概念。虚拟机把所有代码加载到不同的系统域和应用域，系统域部分专门负责与关键资源进行交互。而应用域部分则通过系统域的部分代理来对各种需要的资源进行访问。

通俗来说就是虚拟机把代码加载到拥有不同权限的域里，然后代码就拥有了该域的所有权限。这样就能控制不同代码拥有不同调用操作系统和本地资源的权限：

线程私有：

线程共享：

栈保存方法的局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。方法调用结束后自动释放栈空间，不需要 GC 处理。

JVM 允许栈的大小是动态的或者固定不变的：

栈中的数据都是以栈帧的格式存在，每个栈帧中存储着：

…

一个 JVM 实例中只存在一个堆内存，用来存放对象实例，由程序员手动申请和释放内存空间，如果没有释放则由 GC 处理。

常量池一旦被装入内存就变成运行时常量池，字节码指令文件中的符号引用转变为内存区域代码的直接引用，也就是我们说的动态链接。

class 文件常量池：class 常量池可以理解为是 class 文件中的资源仓库，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。我们一般可以通过 javap -v XXX.class 命令生成更可读的 JVM 字节码指令文件。

字符串常量池：

新生代默认占堆空间的 1/3，老年代默认占 2/3。新生代里有 3 个分区：Eden、From Survivor、To Survivor，它们的默认占比是 8:1:1。新生代和老年代相关参数：

注意：为什么年龄阈值默认是 15 呢？

因为对象头采用 4 个 bit 位来保存 GC 年龄，4 个 bit 位能表示的最大数就是 15。

Minor GC 指新生代 GC ，即发生在新生代的 GC 操作，当新生代无法为新对象分配内存空间的时候，会触发 Minor GC

Major GC 指老年代 GC，即发生在老年代的 GC 操作

Full GC 指整个堆全局范围的 GC，发生情况有：

JVM 中对象实例的创建非常频繁，并发时从堆中划分内存空间是线程不安全的，为了避免多个线程操作同一堆空间，在 Eden 区为每个线程分配了一个私有缓存区域：

实际开发中可以通过 -XX：UseTLAB 设置开启 TLAB。

元空间是对 JVM 规范中方法区的实现，元空间与 JDK8 之前的永久代最大的区别在于：元空间不在虚拟机设置的内存中，而是使用本地内存。

方法区可以固定大小或者可扩展，方法区内存溢出会报 java.lang.OutOfMemoryError：Metaspace。元数据区大小可以使用以下参数设置：

JVM 在堆内划分出一块内存来存储句柄池，对象引用当中存储的就是句柄地址，句柄池中才会存储对象实例数据和对象类型的数据地址：

对象引用直接指向的就是对象实例数据：

执行引擎将字节码指令编译为对应平台上的本地机器指令。执行引擎既有解释器，又有即时编译器（JIT 编译器）。

在标记阶段需要进行 GC 对象的标记，即判断一个对象是否存活常用，有以下两种办法：

每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数 +1，引用释放时计数 -1，计数为 0 时回收。

引用计数实现简单，但是此方法无法解决对象相互循环引用的问题。

从根对象集合 GC Roots 开始向下搜索，当一个对象不是 GC Roots 且未被 GC Roots 引用，则此对象是不可用的。GC Roots 有以下几种：

虚拟机栈中引用的对象

本地方法栈中引用的对象

方法区中静态属性引用的对象

方法区中常量引用的对象

JVM 内部的引用对象，如基本数据类型对应的 Class 对象，以及系统类加载器

所有被同步锁持有的对象

堆中的新生代采用复制算法。复制算法的优点是不会出现内存碎片，缺点是每次运行可使用的内存空间只有原来的一半。

堆中的老年代采用标记-压缩算法。优点是不会产生大量的碎片空间，同时也不会减少可运行的内存。缺点是效率不如复制算法。

GC 时用户正常的应用程序会被暂停，这个停顿就叫 STW。可达性分析算法在遍历根节点时会导致 STW，如果分析过程中对象引用关系还在不断变化，则可达性分析结果的准确性无法保证。所以我们需要减少 STW 的发生。

开发中尽量不使用 System.gc()，会导致 STW 的发生。

新生代：Serial GC、Parallel Scavenge GC、ParNew GC

老年代：Serial Old GC、Parallel Old GC、CMS GC

整堆：G1 GC

ParNew 垃圾回收器采用复制算法、并行回收和 STW 机制的方式进行新生代的内存回收。

CMS（Concurrent-Mark-Sweep）是让垃圾回收线程和用户线程同时工作的并发垃圾回收器。CMS 关注尽可能缩短暂停时间（低延迟），采用标记-清除算法和 STW 机制。

CMS 的缺点：会产生内存碎片、占用部分线程导致总吞吐量下降。如果 CMS 运行期间预留内存无法满足，会出现一次 “Concurrent Mode Failure”，就需要临时启动 Serial Old GC 来对老年代进行 GC。

G1 是一个并行回收器，它将堆内存分成很多不相关的区域 Region，表示 Eden、Survivor 、Old 等。 G1 跟踪每个 Region 里面垃圾回收的价值大小（回收获得的空间大小以及回收所需时间），在后台维护一个邮箱列表，每次根据允许的回收时间，优先回收价值最大的 Region。

G1 的 Region 之间使用复制算法，但从整体上看 G1 使用的是标记-压缩算法，两种算法都能避免内存碎片化。

所有的 Region 大小相同，且在 JVM 生命周期内不会改变。一个 Region 可能是 Eden、Survivor、Old（老年代）、Humongous（大对象）区。

每个 Region 都对应一个记忆集。在 GC Roots 的枚举范围加入记忆集，就可以保证不进行全局扫描。

class 文件结构包括：

加载存储指令用来交换局部变量表和操作数栈中的数据，以及将常量加载到操作数栈。

n 为局部变量表中的栈帧的序号，注意 double 和 long 占用两个栈帧。

由于没有直接支持 byte、short、char 和 boolean 类型的算术指令，使用操作 int 类型的指令代替。

显式抛出异常的操作（throw语句）都由 athrow 指令来实现。try-catch-finally 使用异常表

集合 HashMap、LinkedList 等用 static 修饰，那么它们的生命周期与 JVM 一致，容器中的对象在程序结束之前都不能被释放，造成内存泄漏。

单例模式由于静态属性，生命周期也与 JVM 一致，同样会造成内部泄露。

外部类的实例对象方法返回了内部类的实例对象，由于内部类对象被长期引用，导致外部类对象不会被 GC，造成内存泄露。

没有对这些连接进行显示关闭，就会造成大量对象无法回收，引起内存泄漏。

一个变量定义的作用范围大于其实际的使用范围，造成内存泄漏。

对象修改后的哈希值与最初存储进集合的哈希值不同，无法检索到该对象进行删除，造成内存泄漏。

对象引用放入缓存中容易被遗忘，项目上线时几百万条数据就会造成内存泄漏。

在客户端实现的 API 中注册回调，却没有显式取消，就会积聚造成内存泄漏。

获取正在运行的 Java 进程的 pid：

jinfo 打印和修改运行中 Java 进程的系统变量和命令行参数：

jstat 查看 Java 进程的类加载、JIT 编译、内存、GC 信息：

如果线程长时间停顿（线程死锁、等待资源、等待锁），jstack 用于查看 Java 进程的线程信息，包括线程状态、堆栈信息：

jmap 常用于分析内存泄漏问题，打印堆内存 / 共享对象内存信息、dump 堆：

jcmd 可以用来实现以上除了 jstat 以外所有命令的功能。

下载地址：https://www.eclipse.org/mat/downloads.php。

下载地址：https://www.ej-technologies.com/download/jprofiler/files。

编写好代码程序，点击下方图标即可：

前面的工具虽然非常好用，但是都需要在服务器项目进程中配置相关监控参数，再远程连接到项目进程获取相关数据。这样会带来一些不便，比如线上网络是隔离的，本地的监控工具根本连不上线上环境。

Arthas 不需要远程连接，也不需要配置监控参数，采用命令行交互模式，可以在线排查问题，动态跟踪 Java 代码，实时监控 JVM。

Linux 下载：

Arthas 的指令：

JMC 对应用性能的影响非常小，非常适合做压测。

2. 使用 jstack 命令转储该进程的线程信息，找到 CPU 占用高的线程 pid：

3. 将线程 pid 转换为 16进制：

线上 GC 频率报警，GC 回收的内存越来越少，重启仍不能解决，此时我们需要进行内存泄漏排查。

cmd 中输入 java -X 可以查看所有 -X 参数：

ParallelGC：

CMS：

G1：