工作以來(lái)，代碼越寫(xiě)越多，程序也越來(lái)越臃腫，效率越來(lái)越低，對(duì)于我這樣一個(gè)追求完美的程序員來(lái)說(shuō)，這是絕對(duì)不被允許的，于是除了不斷優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)外，內(nèi)存優(yōu)化和性能調(diào)優(yōu)就成了我慣用的“伎倆”。
要對(duì)Java程序進(jìn)行內(nèi)存優(yōu)化和性能調(diào)優(yōu)，不了解虛擬機(jī)的內(nèi)部原理(或者叫規(guī)范更嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn))是肯定不行的，這里推薦一本好書(shū)《深入Java虛擬機(jī)(第二版)》(Bill Venners著，曹曉剛 蔣靖 譯，實(shí)際上本文正是作者閱讀本書(shū)之后，對(duì)Java虛擬機(jī)的個(gè)人理解闡述)。當(dāng)然了，了解Java虛擬機(jī)的好處并不僅限于上述兩點(diǎn)好處。從更深一點(diǎn)的技術(shù)層面上看，了解Java虛擬機(jī)的規(guī)范和實(shí)現(xiàn)，將更加有助于我們編寫(xiě)高效、穩(wěn)定的Java代碼。比如，假如了解Java虛擬機(jī)的內(nèi)存模型，了解虛擬機(jī)的內(nèi)存回收機(jī)制，那么我們就不會(huì)過(guò)分依賴(lài)它，而會(huì)在需要的時(shí)候顯式的”釋放內(nèi)存”(Java代碼不能顯式釋放內(nèi)存，但是可以通過(guò)釋放對(duì)象引用告知垃圾回收器回收該對(duì)象需要被回收)，以降低不必要的內(nèi)存消耗；假如我們了解Java棧的工作原理，那么我們就可以通過(guò)減少遞歸層數(shù)，減少循環(huán)次數(shù)來(lái)降低堆棧溢出的風(fēng)險(xiǎn)。可能對(duì)于應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，可能不會(huì)直接去涉及這些Java虛擬機(jī)底層實(shí)現(xiàn)的工作，但是了解這些背景知識(shí)，或多或少，都會(huì)對(duì)我們寫(xiě)的程序產(chǎn)生潛移默化的好的影響。
本篇文章，將簡(jiǎn)明扼要的說(shuō)明Java虛擬機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和內(nèi)存模型，如有用詞不妥或解釋不準(zhǔn)確之處，請(qǐng)不吝指正，深感榮幸!
Java 虛擬機(jī)體系結(jié)構(gòu)
類(lèi)裝載子系統(tǒng)
Java虛擬機(jī)有兩種類(lèi)裝載器，分別是啟動(dòng)類(lèi)裝載器和用戶(hù)自定義裝載器。
通類(lèi)裝載子系統(tǒng)通過(guò)類(lèi)的全限定名（包名和類(lèi)名，網(wǎng)絡(luò)裝載還包括 URL）將 Class 裝載進(jìn)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)。對(duì)于每一個(gè)被裝載的類(lèi)型，Java虛擬機(jī)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class類(lèi)的實(shí)例來(lái)代表該類(lèi)型，該實(shí)例被放在內(nèi)存中的堆區(qū)，而裝載的類(lèi)型信息則位于方法區(qū)，這一點(diǎn)和所有其他對(duì)象都是一樣的。
類(lèi)裝載子系統(tǒng)在裝載一個(gè)類(lèi)型前，除了要定位和導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制class文件外，還要驗(yàn)證導(dǎo)入類(lèi)的正確性，為類(lèi)變量分配并初始化內(nèi)存，以及解析符號(hào)引用為直接引用，這些動(dòng)作嚴(yán)格按照以下順序進(jìn)行：
1）裝載——查找并裝載類(lèi)型的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；
2）連接——執(zhí)行驗(yàn)證，準(zhǔn)備以及解析(可選)
3）驗(yàn)證 確保被導(dǎo)入類(lèi)型的正確性
4）準(zhǔn)備 為類(lèi)變量分配內(nèi)存，并將其初始化為默認(rèn)值
5）解析 把類(lèi)型中的符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為直接應(yīng)用
方法區(qū)
對(duì)于每一個(gè)被類(lèi)裝載子系統(tǒng)裝載的類(lèi)型，虛擬機(jī)都會(huì)保存下列數(shù)據(jù)到方法區(qū)：
1.類(lèi)型的全限定名
2.類(lèi)型超類(lèi)的全限定名(java.lang.Object沒(méi)有超類(lèi))
3.類(lèi)型是類(lèi)類(lèi)型還是接口類(lèi)型
4.類(lèi)型的訪問(wèn)修飾符
5.任何直接超接口的全限定名有序列表
除了上述基本類(lèi)型信息，還將保存如下信息：
6.類(lèi)型的常量池
7.字段信息(包括字段名、字段類(lèi)型、字段修飾符)
8.方法信息(包括方法名、返回類(lèi)型、參數(shù)的數(shù)量和類(lèi)型、方法修飾符，如果方法不是抽象和本地的，還將保存方法的字節(jié)碼、操作數(shù)棧和該方法棧幀中的局部變量區(qū)的大小和異常表)
9.常量以外的所有類(lèi)變量(其實(shí)就是類(lèi)的靜態(tài)變量，因?yàn)殪o態(tài)變量是所有實(shí)例共享的，且與類(lèi)型直接相關(guān)，所以他們是類(lèi)一級(jí)的變量，作為類(lèi)的成員被保存在方法區(qū))
10.一個(gè)到類(lèi)ClassLoader的引用
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6
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//返回的就是剛才保存的ClassLoader引用 String.class.getClassLoader();一個(gè)到Class類(lèi)的引用//將返回剛才保存的Class類(lèi)的引用 String.class; |
注意，方法區(qū)也是可以被垃圾回收器回收的。
堆
Java程序在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建的所有類(lèi)實(shí)例或數(shù)組都放在同一個(gè)堆中，而每一個(gè)Java虛擬機(jī)也是有一個(gè)堆空間，所有線程共享一個(gè)堆(這就是一個(gè)多線程的Java程序會(huì)產(chǎn)生對(duì)象訪問(wèn)的同步問(wèn)題的原因了)。
由于每一種Java虛擬機(jī)都有對(duì)虛擬機(jī)規(guī)范的不同實(shí)現(xiàn)，所以我們可能不知道每一種Java虛擬機(jī)在堆中是以何種形式表示對(duì)象實(shí)例的，不過(guò)我們可以通過(guò)下面這可能的實(shí)現(xiàn)來(lái)一窺端倪：
程序計(jì)數(shù)器
對(duì)于運(yùn)行中的Java程序而言，每一個(gè)線程都有自己的PC（程序計(jì)數(shù)器）寄存器，它是在該線程啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建的，大小為一個(gè)字長(zhǎng)，用來(lái)保存需要被執(zhí)行的下一行代碼的位置。
Java棧
每一個(gè)線程都有一個(gè)Java棧，以棧幀為單位保存線程的運(yùn)行狀態(tài)。虛擬機(jī)對(duì)Java棧的操作有兩種：壓棧和出棧，二者都已幀為單位。棧幀保存了傳入?yún)?shù)、局部變量、中間運(yùn)算結(jié)果等數(shù)據(jù)，在方法完成時(shí)被彈出，然后釋放。
看一下兩個(gè)局部變量相加時(shí)棧幀的內(nèi)存快照
本地方法棧
這是 Java 調(diào)用操作系統(tǒng)本地庫(kù)的地方，用來(lái)實(shí)現(xiàn) JNI（Java Native Interface，Java 本地接口）
執(zhí)行引擎
Java虛擬機(jī)的核心，控制裝入 Java 字節(jié)碼并解析；對(duì)于運(yùn)行中的Java程序而言，每一個(gè)線程都是一個(gè)獨(dú)立的虛擬機(jī)執(zhí)行引擎的實(shí)例，從線程生命周期的開(kāi)始到結(jié)束，他要么在執(zhí)行字節(jié)碼，要么在執(zhí)行本地方法。
本地接口
連接了本地方法棧和操作系統(tǒng)庫(kù)。
注:文中所有提到”Java虛擬機(jī)”的地方都是指”JavaEE和JavaSE平臺(tái)的Java虛擬機(jī)規(guī)范”。
虛擬機(jī)內(nèi)存優(yōu)化實(shí)踐
既然提到內(nèi)存，就不得不說(shuō)到內(nèi)存泄露。眾所周知，Java是從C++的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，而C++程序的很大的一個(gè)問(wèn)題就是內(nèi)存泄露難以解決，盡管Java的JVM有一套自己的垃圾回收機(jī)制來(lái)回收內(nèi)存，在許多情況下并不需要java程序開(kāi)發(fā)人員操太多的心，但也是存在泄露問(wèn)題的，只是比C++小一點(diǎn)。比如說(shuō)，程序中存在被引用但無(wú)用的對(duì)象：程序引用了該對(duì)象，但后續(xù)不會(huì)或者不能再使用它，那么它占用的內(nèi)存空間就浪費(fèi)了。
我們先來(lái)看看GC是如何工作的:監(jiān)控每一個(gè)對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，包括對(duì)象的申請(qǐng)、引用、被引用、賦值等，當(dāng)該對(duì)象不再被引用時(shí)，釋放對(duì)象(GC本文的重點(diǎn)，不做過(guò)多闡述)。很多Java程序員過(guò)分依賴(lài)GC，但問(wèn)題的關(guān)鍵是無(wú)論JVM的垃圾回收機(jī)制做得多好，內(nèi)存總歸是有限的資源，因此就算GC會(huì)為我們完成了大部分的垃圾回收，但適當(dāng)?shù)刈⒁饩幋a過(guò)程中的內(nèi)存優(yōu)化還是很必要的。這樣可以有效的減少GC次數(shù)，同時(shí)提升內(nèi)存利用率，最大限度地提高程序的效率。
總體而言，Java虛擬機(jī)的內(nèi)存優(yōu)化應(yīng)從兩方面著手：Java虛擬機(jī)和Java應(yīng)用程序。前者指根據(jù)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)通過(guò)虛擬機(jī)參數(shù)控制虛擬機(jī)邏輯內(nèi)存分區(qū)的大小以使虛擬機(jī)的內(nèi)存與程序?qū)?nèi)存的需求相得益彰；后者指優(yōu)化程序算法，降低GC負(fù)擔(dān)，提高GC回收成功率。
通過(guò)參數(shù)優(yōu)化虛擬機(jī)內(nèi)存的參數(shù)如下所示：
Xms
初始Heap大小
Xmx
java heap最大值
Xmn
young generation的heap大小
Xss
每個(gè)線程的Stack大小
上面是三個(gè)比較常用的參數(shù)，還有一些：
XX:MinHeapFreeRatio=40
Minimum percentage of heap free after GC to avoid expansion.
XX:MaxHeapFreeRatio=70
Maximum percentage of heap free after GC to avoid shrinking.
XX:NewRatio=2
Ratio of new/old generation sizes. [Sparc -client:8; x86 -server:8; x86 -client:12.]-client:8 (1.3.1+), x86:12]
XX:NewSize=2.125m
Default size of new generation (in bytes) [5.0 and newer: 64 bit VMs are scaled 30% larger; x86:1m; x86, 5.0 and older: 640k]
XX:MaxNewSize=
Maximum size of new generation (in bytes). Since 1.4, MaxNewSize is computed as a function of NewRatio.
XX:SurvivorRatio=25
Ratio of eden/survivor space size [Solaris amd64: 6; Sparc in 1.3.1: 25; other Solaris platforms in 5.0 and earlier: 32]
XX:PermSize=
Initial size of permanent generation
XX:MaxPermSize=64m
Size of the Permanent Generation. [5.0 and newer: 64 bit VMs are scaled 30% larger; 1.4 amd64: 96m; 1.3.1 -client: 32m.]
下面所說(shuō)通過(guò)優(yōu)化程序算法來(lái)提高內(nèi)存利用率，并降低內(nèi)存風(fēng)險(xiǎn)，完全是經(jīng)驗(yàn)之談，僅供參考，如有不妥，請(qǐng)指正，謝謝！
1.盡早釋放無(wú)用對(duì)象的引用(XX = null;)
看一段代碼：
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public List<PageData> parse(HtmlPage page) { List<PageData> list = null; try { List valueList = page.getByXPath(config.getContentXpath()); if (valueList == null || valueList.isEmpty()) { return list; } //需要時(shí)才創(chuàng)建對(duì)象,節(jié)省內(nèi)存，提高效率 list = new ArrayList<PageData>(); PageData pageData = new PageData(); StringBuilder value = new StringBuilder(); for (int i = 0; i < valueList.size(); i++) { HtmlElement content = (HtmlElement) valueList.get(i); DomNodeList<HtmlElement> imgs = content.getElementsByTagName("img"); if (imgs != null && !imgs.isEmpty()) { for (HtmlElement img : imgs) { try { HtmlImage image = (HtmlImage) img; String path = image.getSrcAttribute(); String format = path.substring(path.lastIndexOf("."), path.length()); String localPath = "D:/images/" + MD5Helper.md5(path).replace("\\", ",").replace("/", ",") + format; File localFile = new File(localPath); if (!localFile.exists()) { localFile.createNewFile(); image.saveAs(localFile); } image.setAttribute("src", "file:///" + localPath); localFile = null; image = null; img = null; } catch (Exception e) { } } //這個(gè)對(duì)象以后不會(huì)在使用了，清除對(duì)其的引用，等同于提前告知GC，該對(duì)象可以回收了 imgs = null; } String text = content.asXml(); value.append(text).append("<br/>"); valueList=null; content = null; text = null; } pageData.setContent(value.toString()); pageData.setCharset(page.getPageEncoding()); list.add(pageData); //這里 pageData=null; 是沒(méi)用的，因?yàn)閘ist仍然持有該對(duì)象的引用，GC不會(huì)回收它 value=null; //這里可不能 list=null; 因?yàn)閘ist是方法的返回值，否則你從該方法中得到的返回值永遠(yuǎn)為空，而且這種錯(cuò)誤不易被發(fā)現(xiàn)、排除 } catch (Exception e) { } return list; } |
2.謹(jǐn)慎使用集合數(shù)據(jù)類(lèi)型，如數(shù)組，樹(shù)，圖，鏈表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)GC來(lái)說(shuō)回收更復(fù)雜。
3.避免顯式申請(qǐng)數(shù)組空間，不得不顯式申請(qǐng)時(shí)，盡量準(zhǔn)確估計(jì)其合理值。
4.盡量避免在類(lèi)的默認(rèn)構(gòu)造器中創(chuàng)建、初始化大量的對(duì)象，防止在調(diào)用其自類(lèi)的構(gòu)造器時(shí)造成不必要的內(nèi)存資源浪費(fèi)
5.盡量避免強(qiáng)制系統(tǒng)做垃圾內(nèi)存的回收，增長(zhǎng)系統(tǒng)做垃圾回收的最終時(shí)間
6.盡量做遠(yuǎn)程方法調(diào)用類(lèi)應(yīng)用開(kāi)發(fā)時(shí)使用瞬間值變量，除非遠(yuǎn)程調(diào)用端需要獲取該瞬間值變量的值。
7.盡量在合適的場(chǎng)景下使用對(duì)象池技術(shù)以提高系統(tǒng)性能
