JVM

代码编译为class

装载class

执行class

内存空间

内存分配

内存回收

内存情况分析

线程资源同步

线程交互机制

线程状态及分析方法

程序计数器
PC

虚拟机栈
vm stack

本地方法栈
native method stack

方法区（永久代）
method area

类实例区（java堆）
objects

不受jvm gc管理

gc要做的三件事

哪些对象已经死亡

垃圾收集算法

垃圾收集器

参数

引用计数法

可达性分析

标记清除算法（ Mark-Sweep ）

复制算法（copying

标记整理算法(Mark-Compact)

分代收集算法

当前主流 VM 垃圾收集都采用”分代收集”(Generational Collection)算法, 这种算法会根据
对象存活周期的不同将内存划分为几块, 如 JVM 中的 新生代、老年代、永久代，这样就可以根据
各年代特点分别采用最适当的 GC 算法

在新生代-复制算法

在老年代-标记整理算法

分区算法则将整个堆空间划分为连续的不同小区间, 每个小区间独立使用, 独立回收. 这样做的
好处是可以控制一次回收多少个小区间 , 根据目标停顿时间, 每次合理地回收若干个小区间(而不是
整个堆), 从而减少一次 GC 所产生的停顿。

最传统的一种 IO 模型，即在读写数据过程中会发生阻塞现象。当用户线程发出 IO 请求之后，内
核会去查看数据是否就绪，如果没有就绪就会等待数据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态，用
户线程交出 CPU。当数据就绪之后，内核会将数据拷贝到用户线程，并返回结果给用户线程，用
户线程才解除 block 状态。典型的阻塞 IO 模型的例子为：data = socket.read();如果数据没有就
绪，就会一直阻塞在 read 方法。

当用户线程发起一个 read 操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个

error 时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送 read 操作。一旦内核中的数据准备

好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到了用户线程，然后返回。

所以事实上，在非阻塞 IO 模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就说非阻塞 IO

不会交出 CPU，而会一直占用 CPU。典型的非阻塞 IO 模型一般如下：
while(true){

data = socket.read();

if(data!= error){

处理数据

break;

}

}
但是对于非阻塞 IO 就有一个非常严重的问题，在 while 循环中需要不断地去询问内核数据是否就

绪，这样会导致 CPU 占用率非常高，因此一般情况下很少使用 while 循环这种方式来读取数据。

多路复用 IO 模型是目前使用得比较多的模型。Java NIO 实际上就是多路复用 IO。在多路复用 IO

模型中，会有一个线程不断去轮询多个 socket 的状态，只有当 socket 真正有读写事件时，才真

正调用实际的 IO 读写操作。因为在多路复用 IO 模型中，只需要使用一个线程就可以管理多个

socket，系统不需要建立新的进程或者线程，也不必维护这些线程和进程，并且只有在真正有

socket 读写事件进行时，才会使用 IO 资源，所以它大大减少了资源占用。在 Java NIO 中，是通

过 selector.select()去查询每个通道是否有到达事件，如果没有事件，则一直阻塞在那里，因此这

种方式会导致用户线程的阻塞。多路复用 IO 模式，通过一个线程就可以管理多个 socket，只有当

socket 真正有读写事件发生才会占用资源来进行实际的读写操作。因此，多路复用 IO 比较适合连

接数比较多的情况。

另外多路复用 IO 为何比非阻塞 IO 模型的效率高是因为在非阻塞 IO 中，不断地询问 socket 状态

时通过用户线程去进行的，而在多路复用 IO 中，轮询每个 socket 状态是内核在进行的，这个效

率要比用户线程要高的多。

不过要注意的是，多路复用 IO 模型是通过轮询的方式来检测是否有事件到达，并且对到达的事件

逐一进行响应。因此对于多路复用 IO 模型来说，一旦事件响应体很大，那么就会导致后续的事件

迟迟得不到处理，并且会影响新的事件轮询。

在信号驱动 IO 模型中，当用户线程发起一个 IO 请求操作，会给对应的 socket 注册一个信号函

数，然后用户线程会继续执行，当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程，用户线程接收到

信号之后，便在信号函数中调用 IO 读写操作来进行实际的 IO 请求操作。

异步 IO 模型才是最理想的 IO 模型，在异步 IO 模型中，当用户线程发起 read 操作之后，立刻就

可以开始去做其它的事。而另一方面，从内核的角度，当它受到一个 asynchronous read 之后，

它会立刻返回，说明 read 请求已经成功发起了，因此不会对用户线程产生任何 block。然后，内

核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户线程，当这一切都完成之后，内核会给用户线程

发送一个信号，告诉它 read 操作完成了。也就说用户线程完全不需要实际的整个 IO 操作是如何

进行的，只需要先发起一个请求，当接收内核返回的成功信号时表示 IO 操作已经完成，可以直接

去使用数据了。

也就说在异步 IO 模型中，IO 操作的两个阶段都不会阻塞用户线程，这两个阶段都是由内核自动完

成，然后发送一个信号告知用户线程操作已完成。用户线程中不需要再次调用 IO 函数进行具体的

读写。这点是和信号驱动模型有所不同的，在信号驱动模型中，当用户线程接收到信号表示数据

已经就绪，然后需要用户线程调用 IO 函数进行实际的读写操作；而在异步 IO 模型中，收到信号

表示 IO 操作已经完成，不需要再在用户线程中调用 IO 函数进行实际的读写操作。

注意，异步 IO 是需要操作系统的底层支持，在 Java 7 中，提供了 Asynchronous IO。

字节流

字符流

NIO 主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector。传统 IO 基于字节流和字

符流进行操作，而 NIO 基于 Channel 和 Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区

中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择区)用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，

数据到达）。因此，单个线程可以监听多个数据通道。

NIO 和传统 IO 之间第一个最大的区别是，IO 是面向流的，NIO 是面向缓冲区的。

NIO 的缓冲区

NIO 的非阻塞

channels包

charset包

buffer

ByteOrder

MapperByteBuffer

首先说一下 Channel，国内大多翻译成“通道”。Channel 和 IO 中的 Stream(流)是差不多一个

等级的。只不过 Stream 是单向的，譬如：InputStream, OutputStream，而 Channel 是双向

的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。

NIO 中的 Channel 的主要实现有：
1. FileChannel

2. DatagramChannel

3. SocketChannel

4. ServerSocketChannel

这里看名字就可以猜出个所以然来：分别可以对应文件 IO、UDP 和 TCP（Server 和 Client）。

下面演示的案例基本上就是围绕这 4 个类型的 Channel 进行陈述的。

Buffer，故名思意，缓冲区，实际上是一个容器，是一个连续数组。Channel 提供从文件、

网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer。
上面的图描述了从一个客户端向服务端发送数据，然后服务端接收数据的过程。客户端发送

数据时，必须先将数据存入 Buffer 中，然后将 Buffer 中的内容写入通道。服务端这边接收数据必

须通过 Channel 将数据读入到 Buffer 中，然后再从 Buffer 中取出数据来处理。

在 NIO 中，Buffer 是一个顶层父类，它是一个抽象类，常用的 Buffer 的子类有：

ByteBuffer、IntBuffer、 CharBuffer、 LongBuffer、 DoubleBuffer、FloatBuffer、

ShortBuffer

加载是类加载过程中的一个阶段，这个阶段会在内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对

象，作为方法区这个类的各种数据的入口。注意这里不一定非得要从一个 Class 文件获取，这里既

可以从 ZIP 包中读取（比如从 jar 包和 war 包中读取），也可以在运行时计算生成（动态代理），

也可以由其它文件生成（比如将 JSP 文件转换成对应的 Class 类）

这一阶段的主要目的是为了确保 Class 文件的字节流中包含的信息是否符合当前虚拟机的要求，并

且不会危害虚拟机自身的安全。

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量的初始值阶段，即在方法区中分配这些变量所使

用的内存空间。注意这里所说的初始值概念，比如一个类变量定义为：
public static int v = 8080;
实际上变量 v 在准备阶段过后的初始值为 0 而不是 8080，将 v 赋值为 8080 的 put static 指令是

程序被编译后，存放于类构造器<client>方法之中。

但是注意如果声明为：
public static final int v = 8080;
在编译阶段会为 v 生成 ConstantValue 属性，在准备阶段虚拟机会根据 ConstantValue 属性将 v

赋值为 8080。

解析阶段是指虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用就是 class 文件中

的：
1. CONSTANT_Class_info

2. CONSTANT_Field_info

3. CONSTANT_Method_info

等类型的常量。

符号引用与虚拟机实现的布局无关，引用的目标并不一定要已经加载到内存中。各种虚拟

机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须是一

直接引用可以是指向目标的指针，相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。如果有

了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

初始化阶段是类加载最后一个阶段，前面的类加载阶段之后，除了在加载阶段可以自定义类加载

器以外，其它操作都由 JVM 主导。到了初始阶段，才开始真正执行类中定义的 Java 程序代码。

初始化阶段是执行类构造器<client>方法的过程。<client>方法是由编译器自动收集类中的类变

量的赋值操作和静态语句块中的语句合并而成的。虚拟机会保证子<client>方法执行之前，父类

的<client>方法已经执行完毕，如果一个类中没有对静态变量赋值也没有静态语句块，那么编译

器可以不为这个类生成<client>()方法。

注意以下几种情况不会执行类初始化：

1. 通过子类引用父类的静态字段，只会触发父类的初始化，而不会触发子类的初始化。

2. 定义对象数组，不会触发该类的初始化。

3. 常量在编译期间会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用定义常量的类，不会触

发定义常量所在的类。

4. 通过类名获取 Class 对象，不会触发类的初始化。

5. 通过 Class.forName 加载指定类时，如果指定参数 initialize 为 false 时，也不会触发类初

始化，其实这个参数是告诉虚拟机，是否要对类进行初始化。

6. 通过 ClassLoader 默认的 loadClass 方法，也不会触发初始化动作。

虚拟机设计团队把加载动作放到 JVM 外部实现，以便让应用程序决定如何获取所需的类，JVM 提

供了 3 种类加载器：

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)

扩展类加载器(Extension ClassLoader)

应用程序类加载器(Application ClassLoader)：

当一个类收到了类加载请求，他首先不会尝试自己去加载这个类，而是把这个请求委派给父

类去完成，每一个层次类加载器都是如此，因此所有的加载请求都应该传送到启动类加载其中，

只有当父类加载器反馈自己无法完成这个请求的时候（在它的加载路径下没有找到所需加载的

Class），子类加载器才会尝试自己去加载。

采用双亲委派的一个好处是比如加载位于 rt.jar 包中的类 java.lang.Object，不管是哪个加载

器加载这个类，最终都是委托给顶层的启动类加载器进行加载，这样就保证了使用不同的类加载

器最终得到的都是同样一个 Object 对象。

OSGi(Open Service Gateway Initiative)，是面向 Java 的动态模型系统，是 Java 动态化模块化系

统的一系列规范。

动态改变构造

模块化编程与热插拔

虚拟机线程

（VM thread）

周期性任务线程

GC 线程

编译器线程

信号分发线程

是用来存放新生的对象。一般占据堆的1/3空间。由于频繁创建对象，所以新生代会频繁触发

MinorGC 进行垃圾回收。新生代又分为 Eden 区、ServivorFrom、ServivorTo 三个区。

主要存放应用程序中生命周期长的内存对象。

老年代的对象比较稳定，所以 MajorGC 不会频繁执行。在进行 MajorGC 前一般都先进行

了一次 MinorGC，使得有新生代的对象晋身入老年代，导致空间不够用时才触发。当无法找到足

够大的连续空间分配给新创建的较大对象时也会提前触发一次 MajorGC 进行垃圾回收腾出空间。

MajorGC 采用标记清除算法：首先扫描一次所有老年代，标记出存活的对象，然后回收没

有标记的对象。MajorGC 的耗时比较长，因为要扫描再回收。MajorGC 会产生内存碎片，为了减

少内存损耗，我们一般需要进行合并或者标记出来方便下次直接分配。当老年代也满了装不下的

时候，就会抛出 OOM（Out of Memory）异常。

指内存的永久保存区域，主要存放 Class 和 Meta（元数据）的信息,Class 在被加载的时候被

放入永久区域，它和和存放实例的区域不同,GC 不会在主程序运行期对永久区域进行清理。所以这

也导致了永久代的区域会随着加载的 Class 的增多而胀满，最终抛出 OOM 异常。

在 Java 中最常见的就是强引用，把一个对象赋给一个引用变量，这个引用变量就是一个强引

用。当一个对象被强引用变量引用时，它处于可达状态，它是不可能被垃圾回收机制回收的，即

使该对象以后永远都不会被用到 JVM 也不会回收。因此强引用是造成 Java 内存泄漏的主要原因之

一。

软引用需要用 SoftReference 类来实现，对于只有软引用的对象来说，当系统内存足够时它

不会被回收，当系统内存空间不足时它会被回收。软引用通常用在对内存敏感的程序中。

弱引用需要用 WeakReference 类来实现，它比软引用的生存期更短，对于只有弱引用的对象

来说，只要垃圾回收机制一运行，不管 JVM 的内存空间是否足够，总会回收该对象占用的内存。

虚引用需要 PhantomReference 类来实现，它不能单独使用，必须和引用队列联合使用。虚

引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。

Serial（英文连续）是最基本垃圾收集器，使用复制算法，曾经是JDK1.3.1之前新生代唯一的垃圾

收集器。Serial 是一个单线程的收集器，它不但只会使用一个 CPU 或一条线程去完成垃圾收集工

作，并且在进行垃圾收集的同时，必须暂停其他所有的工作线程，直到垃圾收集结束。

Serial 垃圾收集器虽然在收集垃圾过程中需要暂停所有其他的工作线程，但是它简单高效，对于限

定单个 CPU 环境来说，没有线程交互的开销，可以获得最高的单线程垃圾收集效率，因此 Serial

垃圾收集器依然是 java 虚拟机运行在 Client 模式下默认的新生代垃圾收集器。

ParNew 垃圾收集器其实是 Serial 收集器的多线程版本，也使用复制算法，除了使用多线程进行垃

圾收集之外，其余的行为和 Serial 收集器完全一样，ParNew 垃圾收集器在垃圾收集过程中同样也

要暂停所有其他的工作线程。
ParNew 收集器默认开启和 CPU 数目相同的线程数，可以通过-XX:ParallelGCThreads 参数来限

制垃圾收集器的线程数。【Parallel：平行的】

ParNew虽然是除了多线程外和Serial收集器几乎完全一样，但是ParNew垃圾收集器是很多java

虚拟机运行在 Server 模式下新生代的默认垃圾收集器。

Parallel Scavenge 收集器也是一个新生代垃圾收集器，同样使用复制算法，也是一个多线程的垃

圾收集器，它重点关注的是程序达到一个可控制的吞吐量（Thoughput，CPU 用于运行用户代码

的时间/CPU 总消耗时间，即吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)），

高吞吐量可以最高效率地利用 CPU 时间，尽快地完成程序的运算任务，主要适用于在后台运算而

不需要太多交互的任务。自适应调节策略也是 ParallelScavenge 收集器与 ParNew 收集器的一个

重要区别。

Serial Old 是 Serial 垃圾收集器年老代版本，它同样是个单线程的收集器，使用标记-整理算法，

这个收集器也主要是运行在 Client 默认的 java 虚拟机默认的年老代垃圾收集器。

在 Server 模式下，主要有两个用途：

1. 在 JDK1.5 之前版本中与新生代的 Parallel Scavenge 收集器搭配使用。

2. 作为年老代中使用 CMS 收集器的后备垃圾收集方案。

新生代 Serial 与年老代 Serial Old 搭配垃圾收集过程图：
新生代 Parallel Scavenge 收集器与 ParNew 收集器工作原理类似，都是多线程的收集器，都使

用的是复制算法，在垃圾收集过程中都需要暂停所有的工作线程。新生代 Parallel

Scavenge/ParNew 与年老代 Serial Old 搭配垃圾收集过程图：

Parallel Old收集器是Parallel Scavenge的年老代版本，使用多线程的标记-整理算法，在JDK1.6

才开始提供。

在 JDK1.6 之前，新生代使用 ParallelScavenge 收集器只能搭配年老代的 Serial Old 收集器，只

能保证新生代的吞吐量优先，无法保证整体的吞吐量，Parallel Old 正是为了在年老代同样提供吞

吐量优先的垃圾收集器，如果系统对吞吐量要求比较高，可以优先考虑新生代 Parallel Scavenge

和年老代 Parallel Old 收集器的搭配策略。

新生代 Parallel Scavenge 和年老代 Parallel Old 收集器搭配运行过程图：

Concurrent mark sweep(CMS)收集器是一种年老代垃圾收集器，其最主要目标是获取最短垃圾

回收停顿时间，和其他年老代使用标记-整理算法不同，它使用多线程的标记-清除算法。

最短的垃圾收集停顿时间可以为交互比较高的程序提高用户体验。

CMS 工作机制相比其他的垃圾收集器来说更复杂，整个过程分为以下 4 个阶段：

初始标记

并发标记

重新标记

并发清除

Garbage first 垃圾收集器是目前垃圾收集器理论发展的最前沿成果，相比与 CMS 收集器，G1 收

集器两个最突出的改进是：

1. 基于标记-整理算法，不产生内存碎片。

2. 可以非常精确控制停顿时间，在不牺牲吞吐量前提下，实现低停顿垃圾回收。

G1 收集器避免全区域垃圾收集，它把堆内存划分为大小固定的几个独立区域，并且跟踪这些区域

的垃圾收集进度，同时在后台维护一个优先级列表，每次根据所允许的收集时间，优先回收垃圾

最多的区域。区域划分和优先级区域回收机制，确保 G1 收集器可以在有限时间获得最高的垃圾收

集效率。