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JVM 君,你是不过分了

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。

作者:四猿外来源:四猿外|2021-07-09 13:11

 

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:

  1. public class ParentClass { 
  2.     private int parentX; 
  3.     public ParentClass() { 
  4.         setX(100); 
  5.     } 
  6.     public void setX(int x) { 
  7.         parentX = x; 
  8.     } 
  9.  
  10. public class ChildClass extends ParentClass{ 
  11.     private int childX = 1; 
  12.     public ChildClass() {} 
  13.     @Override 
  14.     public void setX(int x) { 
  15.         super.setX(x); 
  16.         childX = x; 
  17.         System.out.println("ChildX 被赋值为 " + x); 
  18.     } 
  19.     public void printX() { 
  20.         System.out.println("ChildX = " + childX); 
  21.     } 
  22.  
  23.  
  24. public class TryInitMain { 
  25.     public static void main(String[] args) { 
  26.         ChildClass cc = new ChildClass(); 
  27.         cc.printX(); 
  28.     } 

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:

  1. // 将全部行数读取的内存中  
  2. List<String> lines = FileUtils.readLines(new File("temp/test.txt"), Charset.defaultCharset());  
  3. for (String line : lines) {  
  4.     // pass  
  5. }  

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:

  1. public class GenericPitfall { 
  2.     public static void main(String[] args) { 
  3.       List list = new ArrayList(); 
  4.       list.add("123"); 
  5.       List<Integer>  list2 = list; 
  6.       System.out.println(list2.get(0).intValue()); 
  7.   } 

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:

  1. class IncompletedSynchronization { 
  2.   int x; 
  3.  
  4.   public int getX() { 
  5.       return x; 
  6.   } 
  7.  
  8.   public synchronized void setX(int x) { 
  9.       this.x = x; 
  10.   } 

再看看这段:

  1. Object lock = new Object(); 
  2. synchronized (lock) { 
  3.   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:

  1. 2021-05-26T14:45:37.987-0200: 151.126: 
  2. [GC (Allocation Failure) 151.126: [DefNew: 629119K->69888K(629120K), 0.0584157 secs] 1619346K->1273247K(2027264K), 0.0585007 secs] 
  3. [Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.06 secs] 
  4.  
  5. 2021-05-26T14:45:59.690-0200: 172.829: 
  6. [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] 
  7. [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:

  1. 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:

  • 堆内的内存不够用了
  • 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:

  1. public class ParseFile4OOM { 
  2.     public static void main(String[] args) { 
  3.         List<Map<String, String>> lst = new ArrayList<>(); 
  4.         for (int i = 0; i < 100000; i++) { 
  5.             Map<String, String> map = new HashMap<>(); 
  6.             map.put("Column1""Content1"); 
  7.             map.put("Column2""Content2"); 
  8.             map.put("Column3""Content3"); 
  9.             lst.add(map); 
  10.         } 
  11.  
  12.         Map<String, List<Map<String, String>>> contentCache = new HashMap<>(); 
  13.         contentCache.put("contents", lst); 
  14.     } 

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:

  1. public class ParseFile4OOM { 
  2.     public static void main(String[] args) { 
  3.         List<Map<String, String>> lst = new ArrayList<>(); 
  4.         for (int i = 0; i < 100000; i++) { 
  5.             Map<String, String> map = new HashMap<>(3); 
  6.             map.put("Column1".intern(), "Content1".intern()); 
  7.             map.put("Column2".intern(), "Content2".intern()); 
  8.             map.put("Column3".intern(), "Content3".intern()); 
  9.             lst.add(map); 
  10.         } 
  11.  
  12.         Map<String, List<Map<String, String>>> contentCache = new HashMap<>(); 
  13.         contentCache.put("contents".intern(), lst); 
  14.     } 

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,希望能帮忙转发、随手点个在看,你的支持对我很重要。

你好,我是四猿外。

一家上市公司的技术总监,管理的技术团队一百余人。

我从一名非计算机专业的毕业生,转行到程序员,一路打拼,一路成长。

本文转载自微信公众号「四猿外」,可以通过以下二维码关注。转载本文请联系四猿外公众号。

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