JVM，我就不信搞不定你了

Posted 2021-09-06 四猿外

JVM 对 Java 有多重要，对程序员面试有多重要，这些不用多说。

如果你还没意识到学 JVM 的必要性，或者不知道怎么学 JVM，那么看完这篇文章，你就能知道答案了。

曾经的我很不屑于学 JVM，但是后来发现不学不行。这就像和媳妇吵架之后我不想道歉一样，不道歉那是不可能的，道歉是早晚的事儿，逃不掉。

后来我明白了：

认怂越晚，结局越惨。

但是我学的时候才知道：JVM，你太过分了，太难学了！

我的学习过程可以说非常坎坷，不过经历坎坷之后，我倒是发现学 JVM 的门道很多。

以我的经验加上和同行们的交流，我认为学 JVM 最好的方法是：

在程序员不同的水平段，做精准的学习。

所谓的精准学习，就是学习对自己工作有巨大帮助的知识点。以工作内容带动学习，等到积累多了，再一举攻克所有 JVM 知识点，最终熟练掌握 JVM 底层原理。

下面我来说说初级、高级、资深程序员，如何循序渐进、分步学习。

初级程序员怎么学

对刚入行的新手程序员，工作一般是修复简单 bug、开发简单功能。如何编码少出 bug，是这个阶段的核心问题。

对于这个核心问题，JVM 原理必须深入掌握两个知识点。

1. 类的初始化

类的初始化，要了解的非常深入才可以。否则，一不留神就会往项目里引入一些有关初始化的 bug。

比如看看下面这段代码：

public class ParentClass {
    private int parentX;
    public ParentClass() {
        setX(100);
    }
    public void setX(int x) {
        parentX = x;
    }
}

public class ChildClass extends ParentClass{
    private int childX = 1;
    public ChildClass() {}
    @Override
    public void setX(int x) {
        super.setX(x);
        childX = x;
        System.out.println("ChildX 被赋值为 " + x);
    }
    public void printX() {
        System.out.println("ChildX = " + childX);
    }

}

public class TryInitMain {
    public static void main(String[] args) {
        ChildClass cc = new ChildClass();
        cc.printX();
    }
}

有兴趣可以运行看看结果，一旦把这种代码放到了生产环境里，排查非常困难。

2. Java 内存结构和对象分配

第二个知识点，就是 Java 内存结构和对象分配的基础知识，尤其是 JVM 内存中堆的布局和对象分配的关系。

比如，堆内存的布局

当然，Java7 后，新布局变了

知道布局了，就得知道java对象分配的基本原则：

• 对象优先在Eden区分配
• 对象太大直接会分配到老年代

只有知道这些知识，才不会经常写下底下这种 bug：

// 将全部行数读取的内存中 
List<String> lines = FileUtils.readLines(new File("temp/test.txt"), Charset.defaultCharset()); 
for (String line : lines) { 
    // pass 
} 

上面这段代码，一旦读取到了大文件，很可能把生产环境搞崩。

所以，把上述两个知识点深入理解了，对新手提升自己的代码质量非常非常有用。只有代码质量上去了，你才能得到更好的发展。

对于这两个知识点，我认为通过网络的文章去学习最好。如果直接看书，有两个最大的缺点：

• 知识积累不足导致学不懂
• 书中冗余知识点太多，互相交杂，精力耗费过大，性价比不高

故这里学习推荐根据知识点去搜文章读，而不是找原理性的书籍看。

高级程序员怎么学

对处于这个阶段的朋友，他们已经可以熟练编写健壮的代码了，经常会独立开发出一个大的功能模块，有的可能还能独立开发出一个完整的小型项目。

这时候，他们可能会面临两种情况：

1. 需要写一些工具类给全团队使用

在这种情况下，你很可能就需要 Java 中的语法糖，因为语法糖能让你写出非常灵活简单的代码。这包括泛型，自动拆装箱，可变参数还有遍历循环。

但是，使用这些语法糖的时候，如果你不熟悉他们在 JVM 中的实现原理，就非常容易栽个大跟头，

比如:

public class GenericPitfall {
    public static void main(String[] args) {
	    	List list = new ArrayList();
	    	list.add("123");
	    	List<Integer>  list2 = list;
	    	System.out.println(list2.get(0).intValue());
		}
}

2. 编写性能优越的代码

什么时候需要性能优越的代码？最常见的就是把以前性能不好的同步实现，转化成异步实现。

而这种要求，就需要开发对 Java 的多线程开发非常熟悉，并且一定要深入理解多线程在 JVM 中的原理实现。

不然，可以看看下面这段代码：

class IncompletedSynchronization {
		int x;

		public int getX() {
	    	return x;
		}

		public synchronized void setX(int x) {
	    	this.x = x;
		}
}

再看看这段：

Object lock = new Object();
synchronized (lock) {
		lock = new Object();
}

如果把上面这些代码上了生产环境，熬通宵排查问题的命运就注定了……

这里的知识点，我推荐通过网上的文章看，又因为涉及到了并发知识，我建议就着《Java Performance》第二版的“Chapter 9. Threading and Synchronization Performance”这章一起看。

还有余力，建议再继续看周志明的那本《深入理解 JAVA 虚拟机》第三版中的 12-13 章。周志明这本书讲的十分深入，也带来个缺点：门槛高。此时，如果没看懂可以放一放。

注意，我这里说的是并发的原理，不是并发实践，读者想学并发编程，《JAVA 并发编程实践》我认为是前提条件，故不会赘述。

资深程序员怎么学

这时候的你，已经开始承担项目开发中很重要的职责了，有些出色的朋友都开始带团队了。那这时候，你可能会做下面的事：

1. 合理规划项目使用资源

合理规划项目使用资源，前提是对垃圾回收有非常深入的了解。

如果说在新手期，已经对 Java 对象的内存分配和内存使用有了大致的概念，那么，这个垃圾回收，则是这类知识的进一步拓展。

只有理解了各种垃圾回收的原理，再配合着 Java 内存布局的基础知识，才能更好地规划出项目用什么回收算法，才能在合适的资源利用度上得到最佳性能。

比如，新生代和老年代之间的合适比例。比如，新生代中 Eden 和 Survivor 区域间的比例。

2. 排查各种线上问题

要排查各种问题，就需要对 JVM 提供的各种故障排查工具非常了解。

这些工具又分为两类：

• 基础的命令行形式的故障处理工具，比如 jps、jstack 等等
• 第二类是可视化的故障处理工具，比如 VisualVM

但是，掌握工具的使用还不够。因为有关垃圾回收的问题，还必须得通过解析 GC 日志后，再通过工具的使用，才可能能定位到问题的根源。

所以，最好对使用故障排查工具和 GC 日志都非常熟练。

比如：

2021-05-26T14:45:37.987-0200: 151.126:
[GC (Allocation Failure) 151.126: [DefNew: 629119K->69888K(629120K), 0.0584157 secs] 1619346K->1273247K(2027264K), 0.0585007 secs]
[Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.06 secs]

2021-05-26T14:45:59.690-0200: 172.829:
[GC (Allocation Failure) 172.829: [DefNew: 629120K->629120K(629120K), 0.0000372 secs]172.829: [Tenured: 1203359K->755802K(1398144K), 0.1855567 secs] 1832479K->755802K(2027264K), [Metaspace: 6741K->6741K(1056768K)], 0.1856954 secs]
[Times: user=0.18 sys=0.00, real=0.18 secs]

上面这条，应该一眼看出来，垃圾算法用的是 Serial 收集器，并且年轻代分配出现了问题，大小可能需要调整。

这里的知识点，强烈反对看网上的文章，网上说的很多细节有问题，疏漏很多。所以，推荐看书。

《Java Performance》第二版里，“Chapter 5. An Introduction to Garbage Collection”，“Chapter 6. Garbage Collection Algorithms”的知识已经足够。

有人去看《深入理解 JAVA 虚拟机》第三版中的第 3 章，讲垃圾收集器与内存分配策略的。这里还是老问题，讲的太细，我建议绕过 3.4 节，讲 HotSpot 算法细节的那块儿。

这里安全点这个知识点挺重要，但是现在这个阶段想理解挺难的。我觉得将来做一些底层框架，接触到崩溃恢复的 checkpoint 相关思想了，再回头来学习，那才能真正理解和掌握。

技术专家怎么学

达到这个级别了，那就需要对整套 JVM 要有非常深入的了解了，因为你是解决技术问题的最后保障了。有些时候，甚至还需要因为某些问题开发出各种各样的工具。

曾经，有个项目时不时总是会报错：

java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded

这个问题几个同事都没搞定，就来找我。我看了看，突然想起来，以前在官方调优指南《HotSpot Virtual Machine Garbage Collection Tuning Guide》看到过相关介绍。

JVM 本身内存不足就会运行 GC，但是如果每次 GC 回收的内存不够，那么很快就会开始下一次 GC。

JVM 有个默认的保护机制，如果发现在一个统计周期内，98% 的时间都是在运行 GC，内存回收却少于 2% 的时候，就会报这个错。

怎么引起的呢？这个问题如果去排查代码，那真的是难如登天，首先，没有任何堆栈错误去帮助定位问题。其次，项目代码量大了去了，而且是年头久远。

这时，就需要通过对 JVM 总体的深入理解，去反推问题了。我当时是这样推理的：

内存溢出，GC 无法回收问题，说明了两个问题：

1. 堆内的内存不够用了
2. 占用内存的对象要么就是该关闭的资源没有关闭，要么被大量的暂时放在一起了

那如果我 dump 出内存文件出来，再分析下就知道是哪些对象在占用内存了。

一查发现是大量的字符串在占用内存。

综合我前面的推测，字符串不是数据库连接，肯定没有该关闭未关闭的问题。那就剩一个可能了，就是被大量的暂时放起来了，导致 GC 回收不了。

那么新问题来了，能大量放字符串的，会是什么？

首先就去猜缓存。根据这条线索，直接去源码搜 Cache 关键词，把所有关于 Cache 的代码都看了下。一下子就找到问题了。

原来，我们有个功能是解析一个非常大的文件。文件的格式如下：

需要把这个文件的每一行内容按照列去一起存到数据库里。

由于写代码的人偷懒，想一次解析完毕后一股脑全塞到数据库里。所以，他弄了个 Map，Map 的 Key 是相同的列名，Value是每一行解析过的内容。

而这样写代码的结果就是，一行对应了一个有三个条目的 HashMap。如果文件有十几万行，就有十几万的 HashMap。然后，这些 HashMap 再存到一个列表里，再把这个列表放到一个叫做 xxxCache 的 HashMap 中。

示意代码如下：

public class ParseFile4OOM {
    public static void main(String[] args) {
        List<Map<String, String>> lst = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            Map<String, String> map = new HashMap<>();
            map.put("Column1", "Content1");
            map.put("Column2", "Content2");
            map.put("Column3", "Content3");
            lst.add(map);
        }

        Map<String, List<Map<String, String>>> contentCache = new HashMap<>();
        contentCache.put("contents", lst);
    }
}

那对这种情况怎么办呢？代码还不能大动，只能优化。

那时，我们已经用了 JDK8 了，引入了 String 常量池。同时，Hashmap 在这个业务场景下，容积是固定的，所以，就不应该给它多分配空间，就固定死为 3。

优化后，代码如下：

public class ParseFile4OOM {
    public static void main(String[] args) {
        List<Map<String, String>> lst = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            Map<String, String> map = new HashMap<>(3);
            map.put("Column1".intern(), "Content1".intern());
            map.put("Column2".intern(), "Content2".intern());
            map.put("Column3".intern(), "Content3".intern());
            lst.add(map);
        }

        Map<String, List<Map<String, String>>> contentCache = new HashMap<>();
        contentCache.put("contents".intern(), lst);
    }
}

把优化后的代码上线，错误搞定了！

所以，在这个阶段就非得把 JVM 吃透不可了。吃透原理就必须靠看书了。

周志明的《深入理解 JAVA 虚拟机》是必须的了，但是还不够。

《Oracle JRockit: The Definitive Guide》这本书我也建议读一读，虽然老了，但是里面的很多内容，尤其前四章，对 JVM 原理真的快讲透了。对 JVM 是如何弹性伸缩去平衡资源和性能关系的，娓娓道来，让我醍醐灌顶，编程视野一下子打开了很多。

至此，不同阶段的学习方法讲完了。

总的来说，JVM 知识广博复杂，如果想要掌握，不能一蹴而就。而且咱们程序员不容易，需要学的知识太多，然而咱们的精力却是有限的。

所以，对于 JVM 原理来说，假设有些知识点眼前看不懂，用不上，可以先暂时放一放，做到精准学习，把省下来的精力用在别的知识甚至自己的生活上，更有意义。

看完如果觉得有收获，来个三连支持吧。