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实战Java虚拟机——JVM故障诊断与性能优化

作译者：葛一鸣

出版时间：2015-03 千字数：633 版次：01-01 页数：452

开本：16(185*235) 装帧： I S B N ：9787121256127

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目　　录


第1章　初探Java虚拟机	1
1.1  知根知底：追溯Java的发展历程	2
1.1.1  那些依托Java虚拟机的语言大咖们	2
1.1.2  Java发展史上的里程碑	2
1.2  跨平台的真相：Java虚拟机来做中介	4
1.2.1  理解Java虚拟机的原理	4
1.2.2  看清Java虚拟机的种类	5
1.3  一切看我的：Java语言规范	6
1.3.1  词法的定义	6
1.3.2  语法的定义	7
1.3.3  数据类型的定义	8
1.3.4  Java语言规范总结	9
1.4  一切听我的：Java虚拟机规范	9
1.5  数字编码就是计算机世界的水和电	10
1.5.1  整数在Java虚拟机中的表示	10
1.5.2  浮点数在Java虚拟机中的表示	12
1.6  抛砖引玉：编译和调试虚拟机	14
1.7  小结	19
第2章　认识Java虚拟机的基本结构	20
2.1  谋全局者才能成大器：看穿Java虚拟机的架构	20
2.2  小参数能解决大问题：学会设置Java虚拟机的参数	22
2.3  对象去哪儿：辨清Java堆	23
2.4  函数如何调用：出入Java栈	25
2.4.1  局部变量表	27
2.4.2  操作数栈	32
2.4.3  帧数据区	32
2.4.4  栈上分配	33
2.5  类去哪儿了：识别方法区	35
2.6  小结	37
第3章　常用Java虚拟机参数	38
3.1  一切运行都有迹可循：掌握跟踪调试参数	38
3.1.1  跟踪垃圾回收——读懂虚拟机日志	39
3.1.2  类加载/卸载的跟踪	42
3.1.3  系统参数查看	44
3.2  让性能飞起来：学习堆的配置参数	45
3.2.1  最大堆和初始堆的设置	45
3.2.2  新生代的配置	49
3.2.3  堆溢出处理	52
3.3  别让性能有缺口：了解非堆内存的参数配置	54
3.3.1  方法区配置	55
3.3.2  栈配置	55
3.3.3  直接内存配置	55
3.4  Client和Server二选一：虚拟机的工作模式	58
3.5  小结	59
第4章　垃圾回收概念与算法	60
4.1  内存管理清洁工：认识垃圾回收	60
4.2  清洁工具大PK：讨论常用的垃圾回收算法	61
4.2.1  引用计数法（Reference Counting）	62
4.2.2  标记清除法（Mark-Sweep）	63
4.2.3  复制算法（Copying）	64
4.2.4  标记压缩法（Mark-Compact）	66
4.2.5  分代算法（Generational Collecting）	67
4.2.6  分区算法（Region）	68
4.3  谁才是真正的垃圾：判断可触及性	69
4.3.1  对象的复活	69
4.3.2  引用和可触及性的强度	71
4.3.3  软引用——可被回收的引用	72
4.3.4  弱引用——发现即回收	76
4.3.5  虚引用——对象回收跟踪	77
4.4  垃圾回收时的停顿现象：Stop-The-World案例实战	79
4.5  小结	83
第5章　垃圾收集器和内存分配	84
5.1  一心一意一件事：串行回收器	85
5.1.1  新生代串行回收器	85
5.1.2  老年代串行回收器	86
5.2  人多力量大：并行回收器	86
5.2.1  新生代ParNew回收器	87
5.2.2  新生代ParallelGC回收器	88
5.2.2  老年代ParallelOldGC回收器	89
5.3  一心多用都不落下：CMS回收器	90
5.3.1  CMS主要工作步骤	90
5.3.2  CMS主要的设置参数	91
5.3.3  CMS的日志分析	92
5.3.4  有关Class的回收	94
5.4  未来我做主：G1回收器	95
5.4.1  G1的内存划分和主要收集过程	95
5.4.2  G1的新生代GC	96
5.4.3  G1的并发标记周期	97
5.4.4  混合回收	100
5.4.5  必要时的Full GC	102
5.4.6  G1日志	102
5.4.7  G1相关的参数	106
5.5  回眸：有关对象内存分配和回收的一些细节问题	107
5.5.1  禁用System.gc()	107
5.5.2  System.gc()使用并发回收	107
5.5.3  并行GC前额外触发的新生代GC	109
5.5.4  对象何时进入老年代	110
5.5.5  在TLAB上分配对象	117
5.5.6  方法finalize()对垃圾回收的影响	120
5.6  温故又知新：常用的GC参数	125
5.7  动手才是真英雄：垃圾回收器对Tomcat性能影响的实验	127
5.7.1  配置实验环境	127
5.7.2  配置进行性能测试的工具JMeter	128
5.7.3  配置Web应用服务器Tomcat	131
5.7.4  实战案例1——初试串行回收器	133
5.7.5  实战案例2——扩大堆以提升系统性能	133
5.7.6  实战案例3——调整初始堆大小	134
5.7.7  实战案例4——使用ParrellOldGC回收器	135
5.7.8  实战案例5——使用较小堆提高GC压力	135
5.7.9  实战案例6——测试ParallelOldGC的表现	135
5.7.10 实战案例7——测试ParNew回收器的表现	136
5.7.11 实战案例8——测试JDK 1.6的表现	136
5.7.12 实验9——使用高版本虚拟机提升性能	137
5.8  小结	137
第6章　性能监控工具	138
6.1  有我更高效：Linux下的性能监控工具	139
6.1.1  显示系统整体资源使用情况——top命令	139
6.1.2  监控内存和CPU——vmstat命令	140
6.1.3  监控IO使用——iostat命令	142
6.1.4  多功能诊断器——pidstat工具	143
6.2  用我更高效：Windows下的性能监控工具	148
6.2.1  任务管理器	148
6.2.2  perfmon性能监控工具	150
6.2.3  Process Explorer进程管理工具	153
6.2.4  pslist命令——Windows下也有命令行工具	155
6.3  外科手术刀：JDK性能监控工具	157
6.3.1  查看Java进程——jps命令	158
6.3.2  查看虚拟机运行时信息——jstat命令	159
6.3.3  查看虚拟机参数——jinfo命令	162
6.3.4  导出堆到文件——jmap命令	163
6.3.5  JDK自带的堆分析工具——jhat命令	165
6.3.6  查看线程堆栈——jstack命令	167
6.3.7  远程主机信息收集——jstatd命令	170
6.3.8  多功能命令行——jcmd命令	172
6.3.9  性能统计工具——hprof	175
6.3.10 扩展jps命令	177
6.4  我是你的眼：图形化虚拟机监控工具JConsole	178
6.4.1  JConsole连接Java程序	178
6.4.2  Java程序概况	179
6.4.3  内存监控	180
6.4.4  线程监控	180
6.4.5  类加载情况	182
6.4.6  虚拟机信息	182
6.5  一目了然：可视化性能监控工具Visual VM	183
6.5.1  Visual VM连接应用程序	184
6.5.2  监控应用程序概况	185
6.5.3  Thread Dump和分析	186
6.5.4  性能分析	187
6.5.5  内存快照分析	189
6.5.6  BTrace介绍	190
6.6  来自JRockit的礼物：虚拟机诊断工具Mission Control	198
6.6.1  MBean服务器	198
6.6.2  飞机记录器（Flight Recorder）	200
6.7  小结	203
第7章　分析Java堆	204
7.1  对症才能下药：找到内存溢出的原因	205
7.1.1  堆溢出	205
7.1.2  直接内存溢出	205
7.1.3  过多线程导致OOM	207
7.1.4  永久区溢出	209
7.1.5  GC效率低下引起的OOM	210
7.2  无处不在的字符串：String在虚拟机中的实现	210
7.2.1  String对象的特点	210
7.2.2  有关String的内存泄漏	212
7.2.3  有关String常量池的位置	215
7.3  虚拟机也有内窥镜：使用MAT分析Java堆	217
7.3.1  初识MAT	217
7.3.2  浅堆和深堆	220
7.3.4  例解MAT堆分析	221
7.3.5  支配树（Dominator Tree）	225
7.3.6  Tomcat堆溢出分析	226
7.4  筛选堆对象：MAT对OQL的支持	230
7.4.1  Select子句	230
7.4.2  From子句	232
7.4.3  Where子句	234
7.4.4  内置对象与方法	234
7.5  更精彩的查找：Visual VM对OQL的支持	239
7.5.1  Visual VM的OQL基本语法	239
7.5.2  内置heap对象	240
7.5.3  对象函数	242
7.5.4  集合/统计函数	247
7.5.5  程序化OQL分析Tomcat堆	252
7.6  小结	255
第8章　锁与并发	256
8.1  安全就是锁存在的理由：锁的基本概念和实现	257
8.1.1  理解线程安全	257
8.1.2  对象头和锁	259
8.2  避免残酷的竞争：锁在Java虚拟机中的实现和优化	260
8.2.1  偏向锁	260
8.2.2  轻量级锁	262
8.2.3  锁膨胀	263
8.2.4  自旋锁	264
8.2.5  锁消除	264
8.3  应对残酷的竞争：锁在应用层的优化思路	266
8.3.1  减少锁持有时间	266
8.3.2  减小锁粒度	267
8.3.3  锁分离	269
8.3.4  锁粗化	271
8.4  无招胜有招：无锁	273
8.4.1  理解CAS	273
8.4.2  原子操作	274
8.4.3  新宠儿LongAddr	277
8.5  将随机变为可控：理解Java内存模型	280
8.5.1  原子性	280
8.5.2  有序性	282
8.5.3  可见性	284
8.5.4  Happens-Before原则	286
8.6  小结	286
第9章　Class文件结构	287
9.1  不仅跨平台，还能跨语言：语言无关性	287
9.2  虚拟机的基石：Class文件	289
9.2.1  Class文件的标志——魔数	290
9.2.2  Class文件的版本	292
9.2.3  存放所有常数——常量池	293
9.2.4  Class的访问标记（Access Flag）	300
9.2.5  当前类、父类和接口	301
9.2.6  Class文件的字段	302
9.2.7  Class文件的方法基本结构	304
9.2.8  方法的执行主体——Code属性	306
9.2.9  记录行号——LineNumberTable属性	307
9.2.10 保存局部变量和参数——LocalVariableTable属性	308
9.2.11 加快字节码校验——StackMapTable属性	308
9.2.12  Code属性总结	313
9.2.13 抛出异常——Exceptions属性	314
9.2.14 用实例分析Class的方法结构	315
9.2.15 我来自哪里——SourceFile属性	318
9.2.16 强大的动态调用——BootstrapMethods属性	319
9.2.17  内部类——InnerClasses属性	320
9.2.18 将要废弃的通知——Deprecated属性	321
9.2.19  Class文件总结	322
9.3  操作字节码：走进ASM	322
9.3.1  ASM体系结构	322
9.3.2  ASM之Hello World	324
9.4  小结	325
第10章　Class装载系统	326
10.1  来去都有序：看懂Class文件的装载流程	326
10.1.1  类装载的条件	327
10.1.2  加载类	330
10.1.3  验证类	332
10.1.4  准备	333
10.1.5  解析类	334
10.1.6  初始化	336
10.2  一切Class从这里开始：掌握ClassLoader	340
10.2.1  认识ClassLoader，看懂类加载	341
10.2.2  ClassLoader的分类	341
10.2.3  ClassLoader的双亲委托模式	343
10.2.4  双亲委托模式的弊端	347
10.2.5  双亲委托模式的补充	348
10.2.6  突破双亲模式	350
10.2.7  热替换的实现	353
10.3  小结	357
第11章　字节码执行	358
11.1  代码如何执行：字节码执行案例	359
11.2  执行的基础：Java虚拟机常用指令介绍	369
11.2.1  常量入栈指令	369
11.2.2  局部变量压栈指令	370
11.2.3  出栈装入局部变量表指令	371
11.2.4  通用型操作	372
11.2.5  类型转换指令	373
11.2.6  运算指令	375
11.2.7  对象/数组操作指令	377
11.2.8  比较控制指令	379
11.2.9  函数调用与返回指令	386
11.2.10 同步控制	389
11.2.11 再看Class的方法结构	391
11.3  更上一层楼：再看ASM	393
11.3.1  为类增加安全控制	393
11.3.2  统计函数执行时间	396
11.4  谁说Java太刻板：Java Agent运行时修改类	399
11.4.1  使用-javaagent参数启动Java虚拟机	400
11.4.2  使用Java Agent为函数增加计时功能	402
11.4.3  动态重转换类	404
11.4.4  有关Java Agent的总结	407
11.5  与时俱进：动态函数调用	407
11.5.1  方法句柄使用实例	407
11.5.2  调用点使用实例	411
11.5.3  反射和方法句柄	412
11.5.4  指令invokedynamic使用实例	414
11.6  跑得再快点：静态编译优化	418
11.6.1  编译时计算	419
11.6.2  变量字符串的连接	421
11.6.3  基于常量的条件语句裁剪	422
11.6.4  switch语句的优化	423
11.7  提高虚拟机的执行效率：JIT及其相关参数	424
11.7.1  开启JIT编译	425
11.7.2  JIT编译阈值	426
11.7.3  多级编译器	427
11.7.4  OSR栈上替换	430
11.7.5  方法内联	431
11.7.6  设置代码缓存大小	432
11.8  小结	436

前　　言


关于Java生态圈
Java是目前应用最为广泛的软件开发平台之一。随着Java以及Java社区的不断壮大，Java也早已不再是简简单单的一门计算机语言了，它更是一个平台、一种文化、一个社区。
作为一个平台，Java虚拟机扮演着举足轻重的作用。除了Java语言，任何一种能够被编译成字节码的计算机语言都属于Java这个平台。Groovy、Scala、JRuby等都是Java平台的一个部分，它们依赖于Java虚拟机，同时，Java平台也因为它们变得更加丰富多彩。
作为一种文化，Java几乎成为了“开源”的代名词。在Java程序中，有着数不清的开源软件和框架，如Tomcat、Struts、Hibernate、Spring等。就连JDK和JVM自身也有不少开源的实现，如OpenJDK、Harmony。可以说，“共享”的精神在Java世界里体现得淋漓尽致。
作为一个社区，Java拥有无数的开发人员，有数不清的论坛和资料。从桌面应用软件、嵌入式开发到企业级应用、后台服务器、中间件，都可以看到Java的身影。其应用形式之复杂、参与人数之庞大也令人咋舌。可以说，Java社区已经俨然成为了一个良好而庞大的生态系统。
而本书，也将主要介绍这个生态系统的核心——Java虚拟机。
本书的体系结构
本书立足于实际开发，又不缺理论介绍，力求通俗易懂、循序渐进。本书共分为11章：
第1章主要为综述，介绍了Java虚拟机的概念、定义，讲解了Java语言规范和Java虚拟机规范，最后，还介绍了OpenJDK的调试方法。
第2章介绍了虚拟机的总体架构，说明了堆、栈、方法区等内存空间的作用和彼此之间的联系。
第3章介绍了Java虚拟机的常用配置参数，重点对垃圾回收跟踪参数、内存配置参数做了详细的介绍以及案例说明。
第4章从理论层面介绍了垃圾回收的算法，如引用计数、标记清除、标记压缩、复制算法等。本章是第5章的理论基础。
第5章讲解基于垃圾回收的理论知识，进一步详细介绍Java虚拟机中实际使用的各种垃圾回收器，包括串行回收器、并行回收器、CMS、G1等。
第6章介绍了虚拟机的性能监控和故障诊断工具，考虑实用性，也介绍了系统级性能监控工具的使用，两者结合，可以更好地帮助读者处理实际问题。
第7章详细介绍了对Java堆的分析方法和案例，主要讲解了MAT和Visual VM两款工具的使用，以及各自OQL的编写方式。
第8章介绍了Java虚拟机对多线程，尤其是锁的支持，本章不仅介绍了虚拟机内部锁的实现、优化机制，也给出了一些Java语言层面的锁优化思路，最后，还介绍了无锁的并行控制方法。
第9章介绍了虚拟机的核心——Class文件结构，Class文件作为虚拟机的基石，有着举足轻重的作用，对深入理解虚拟机有着不可忽视的作用。
第10章介绍了虚拟机中类的装载系统，其中，着重介绍了虚拟机中ClassLoader的实现以及设计模式。
第11章介绍了虚拟机的执行系统和字节码，为了帮助读者更快更好地理解Java字节码，本章对字节码进行分类讲解，并且理论联系实际，给出了通过ASM框架进行字节码注入的案例。
本书特色
本书的主要特点有：
1.	结构清晰。本书采用从整体到局部的视角，首先第1、2两章介绍了Java虚拟机的整体概况和结构。接着步步为营，每一章节对应一个单独知识点，力求展示虚拟机的全貌。
2.	理论结合实战。本书不甘心于简单地枚举理论知识，在每一个理论背后，都给出了演示示例供读者参考，帮助读者更好地消化这些理论。比如，在对Class文件结构和字节码的介绍中，不仅仅简单地给出了理论说明，更是使用ASM框架将这些理论应用于实践，尽可能地做到理论和实践结合。
3.	专注专业。本书着眼于Java虚拟机，对Java虚拟机的原理和实践做了丰富的介绍，包括但不限于体系结构、虚拟机的调试方式、常用参数、垃圾回收系统、Class文件结构、执行系统等，力求从多角度更专业地对Java虚拟机进行探讨。
4.	通俗易懂。本书依然服务于广大虚拟机初学者，尽量避免采用过于理论的描述方式，简单的白话文风格贯穿全书，尽量做到读者在阅读过程中少盲点、无盲点。
5.	技术全面。纵横Windows和Linux双系统下的性能诊断、涉及32位系统和64位系统的优化比较、贯穿从JDK 1.5~ JDK 1.8的优化演进。
适合阅读人群
虽然本书力求通俗，但要通读本书并取得良好的学习效果，要求读者需要具备基本的Java知识或者一定的编程经验。因此，本书适合以下读者：
	拥有一定开发经验的Java平台开发人员（Java、Scala、JRuby等）
	软件设计师、架构师
	系统调优人员
	有一定的Java基础并希望更进一步的程序员
	虚拟机爱好者，JVM实践者
本书的约定
本书在叙述过程中，有如下约定：
	本书中所述的JDK 1.5、JDK 1.6、JDK 1.7、JDK 1.8等同于JDK 5、JDK 6、JDK 7、JDK 8。
	如无特殊说明，Java虚拟机均指HotSpot虚拟机。
	如无特殊说明，本书的程序、示例均在JDK 1.7环境中运行。
	本书赠送的课程优惠券，可以观看我在51CTO学院的JVM课程，地址是http://edu.51cto. com/course/course_id-1952.html。
联系作者
本书的写作过程远比我想象的更艰辛，为了让全书能够更清楚更正确地表达和论述，我经历了好多个不眠之夜，即使现在回想起来，也忍不住让我打个寒颤。由于写作水平的限制，书中难免会有不妥之处，望读者谅解。
为此，如果读者有任何疑问或者建议，非常欢迎大家加入QQ群397196583 ，一起探讨学习中的困难、分享学习的经验，我期待与大家一起交流、共同进步。同时，也希望大家可以关注我的博客http://www.uucode.net/。
感谢
这本书能够面世，是因为得到了众人的支持。首先，要感谢我的妻子，她始终不辞辛劳，毫无怨言地对我照顾有加，才让我得以腾出大量时间，并可以安心工作。其次，要感谢小编为我一次又一次地审稿改错，批评指正，才能让本书逐步完善。最后，感谢我的母亲30年如一日对我的体贴和关心。
参与本书编写的还有宋玉红、关硕、安继宏、白慧、薛淑英、蒋玺、曹静、马玉杰、陈明
明、张丽萍、任娜娜、李清艺、荆海霞、赵全利、孙迪，特此感谢！

葛一鸣

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