JVM高级篇总结笔记

1. GraalVM深度解析

1.1 什么是GraalVM

GraalVM 是Oracle官方推出的高性能JDK，相比OpenJDK/OracleJDK具有更好的性能表现。官方标语：Build faster, smaller, leaner applications。

核心优势：

更低的CPU和内存使用率
更快的启动速度，无需预热即可获得最佳性能
更好的安全性，更小的可执行文件
支持Spring Boot、Micronaut、Helidon、Quarkus等框架
多云平台支持
通过Truffle框架运行JS、Python、Ruby等多种语言

版本对比：

特性	社区版(Community)	企业版(Enterprise)
收费模式	免费	收费
G1垃圾回收器优化	❌	✅
PGO（Profile Guided Optimization）	❌	✅
高级优化特性	❌	✅
高级优化参数	❌	✅

性能对比数据：

CPU和内存使用率显著降低
启动速度和首次响应时间大幅提升（Quarkus+Native可达0.016秒 vs 传统4.3秒）

1.2 GraalVM的两种模式

JIT模式（Just-In-Time）

与Oracle JDK类似的特点：

Write Once, Run Anywhere（一次编写，到处运行）
预热后通过Graal JIT编译器优化热点代码，生成高性能机器码

AOT模式（Ahead-Of-Time）

提前编译模式，为特定平台创建可执行文件：

优点：启动后获得最高性能
缺点：不具备跨平台特性，不同平台需单独编译

性能测试对比：

bash 复制代码

# 测试结果显示GraalVM开启Graal编译器性能最佳
JDK8:      233.307 ms/op
JDK21:     240 ms/op
GraalVM+JIT:  243 ms/op
GraalVM-JIT:  未测试

1.3 应用场景与解决方案

AOT模式适用场景：

公有云函数计算（按CPU/内存使用量计费）
Serverless应用架构
对启动速度要求极高的场景

面临的挑战及解决方案：

挑战	解决方案
跨平台问题	使用Docker容器化平台在线编译
编译时间长、资源消耗大	使用阿里云等镜像服务器
框架兼容性问题（反射、动态代理）	使用SpringBoot3等已适配GraalVM的框架版本

SpringBoot3整合GraalVM步骤：

使用https://start.spring.io/生成项目，添加"GraalVM Native Support"依赖
编写业务代码（注意：移除@PostConstructor注解）
执行命令：mvn -Pnative clean native:compile
运行生成的本地镜像（大小约80MB，启动极快）

1.4 参数优化与故障诊断

社区版限制：

仅支持串行垃圾回收器（Serial GC）
默认最大堆大小为物理内存的80%，通过-Xmx或-R:MaxHeapSize调整

企业版优化：

支持G1垃圾回收器：--gc=G1
Epsilon GC（无GC行为）：--gc=epsilon（适用于短暂运行、不产生大量对象的场景）

垃圾回收日志：

bash 复制代码

# 添加参数
-XX:+PrintGC -XX:+VerboseGC

# 日志示例
[44.108s][gc] Old: 504.50M->604.00M
[44.108s][gc] Full GC (Collection on allocation) 604.50M->604.00M 16.436ms

实战案例：内存快照分析

编译时添加监控支持

xml 复制代码

<plugin>
    <groupId>org.graalvm.buildtools</groupId>
    <artifactId>native-maven-plugin</artifactId>
    <configuration>
        <buildArgs>
            <arg>--enable-monitoring=heapdump,jfr</arg>
        </buildArgs>
    </configuration>
</plugin>

运行时生成快照

bash 复制代码

# 获取进程ID
ps -ef | grep native

# 发送信号生成快照
kill -SIGUSR1 <进程ID>

# 生成文件：svm-heapdump.hprof

使用MAT分析：与普通JVM生成的hprof文件分析方法相同

实战案例：运行时数据获取（JFR）

JDK Flight Recorder支持在GraalVM本地镜像中使用：

编译时添加--enable-monitoring=jfr
运行时添加参数：-XX:+FlightRecorder -XX:StartFlightRecording=duration=60s,filename=recording.jfr
使用VisualVM或JMC分析生成的JFR文件

2. 新一代垃圾回收器

2.1 技术演进路线

复制代码

技术演进：
STW → 并行回收 → 并发标记 → 并发清理 → 并发复制整理

年轻代：
- 复制算法（PS+PO、ParNew+CMS、G1、Shenandoah、ZGC）

老年代：
- 标记-整理（PS+PO）
- 并发标记-清理（CMS）
- 复制-整理（G1）
- 并行复制-整理（Shenandoah、ZGC）

不同GC设计目标对比：

Parallel GC：吞吐量优先
G1：平衡吞吐量和停顿时间
Shenandoah：超低延迟
ZGC：亚毫秒级停顿

2.2 Shenandoah GC

特点：

由Red Hat开发，OpenJDK特性
并发执行大部分GC工作，包括并发整理
堆大小对STW时间基本无影响
适合小对象场景，停顿时间极短

环境搭建：

下载OpenJDK with Shenandoah
- 地址：https://builds.shipilev.net/openjdk-jdk-shenandoah/
- 选择：linux-x86_64-server-release-gcc12-glibc2.36.tar.xz
配置环境变量

bash 复制代码

export JAVA_HOME=/usr/local/jvm/openjdk-shenandoah
export PATH=$JAVA_HOME/bin:$PATH

验证安装

bash 复制代码

java -version
# openjdk version "22-testing" 2024-03-19
# OpenJDK Runtime Environment (build 22-testing-...)
# OpenJDK 64-Bit Server VM (build 22-testing..., mixed mode, sharing)

运行参数

bash 复制代码

-XX:+UseShenandoahGC
-Xlog:gc  # 打印GC日志

性能测试结果：

小对象(4KB)：停顿时间极短，约0.5-1ms
大对象(4MB)：效果不佳，停顿时间较长

2.3 ZGC（Z Garbage Collector）

核心特性：

亚毫秒级最大暂停时间：STW时间不超过1毫秒
可扩展性：支持从几百MB到16TB堆大小
堆大小不影响停顿时间
JDK21支持分代：进一步提升性能

版本演进：

复制代码

JDK11: 实验版本
JDK12-13: 并行类卸载支持
JDK14-15: Windows & macOS支持
JDK16-17: 亚毫秒级停顿
JDK21: 支持分代

环境配置：

bash 复制代码

# 分代ZGC（JDK17+推荐）
-XX:+UseZGC -XX:+ZGenerational

# 非分代ZGC
-XX:+UseZGC

# 无需设置：
# -Xmn（自动设置年轻代大小）
# -XX:TenuringThreshold（自动晋升阈值）
# -XX:ConcGCThreads（JDK17+自动计算）

# 必须设置：
-Xmx<value>  # 最大堆大小
-XX:SoftMaxHeapSize=<value>  # 软限制（可选）

Huge Page大页优化：

bash 复制代码

# 1. 计算页数（2MB/页）
# 例如18GB堆：18*1024/2 = 9216页

# 2. 配置大页池（需root权限）
echo 9216 > /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages

# 3. 启动参数添加
-XX:+UseLargePages

性能测试结果：

GC类型	4KB对象	4MB对象	停顿时间	吞吐量
G1	788ms	1155ms	较长	高
Parallel	970ms	2481ms	长	最高
Shenandoah	817ms	816ms	极短	较低
ZGC	828ms	816ms	亚毫秒	中等
ZGC分代	890ms	828ms	亚毫秒	较好

2.4 实战案例：软引用缓存GC表现对比

测试场景：

大量软引用缓存导致内存不足
对比G1、Shenandoah、ZGC的回收表现

测试代码：

java 复制代码

@RestController
@RequestMapping("/fullgc")
public class Demo2Controller {
    private Cache<String, byte[]> cache = Caffeine.newBuilder()
        .weakKeys()
        .softValues()
        .build();
    
    private List<Object> objs = new ArrayList<>();
    private static final int _1MB = 1024 * 1024;
    
    @GetMapping("/1")
    public void test() throws InterruptedException {
        cache.put(RandomStringUtils.randomAlphabetic(8), 
                  new byte[10 * _1MB]);
    }
}

测试步骤：

启动程序并添加不同GC参数
使用Apache Benchmark压测：ab -n 10000 -c 100 http://localhost:8882/fullgc/1
生成GC日志并使用GcEasy分析
对比结果：

结论：

内存充足时：ZGC表现最佳，停顿时间最短
内存紧张时：Shenandoah GC表现更好，并行回收时间更短，用户请求执行效率更高

3. Java工具核心技术

3.1 Java Agent技术

Java Agent是JDK提供的技术，用于编写Java工具类程序，可以在Java程序运行时执行Agent中的代码。

两种加载模式：

静态加载模式

触发时机：程序启动时立即执行
应用场景：APM等需要从一开始就监控的系统
实现方式 ：编写premain方法

java 复制代码

public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
    System.out.println("Java Agent执行了...");
}

MANIFEST.MF配置：

复制代码

Manifest-Version: 1.0
Premain-Class: com.itheima.jvm.javaagent.AgentDemo
Can-Redefine-Classes: true
Can-Retransform-Classes: true

启动命令：

bash 复制代码

java -javaagent:./agent.jar -jar test.jar

动态加载模式

触发时机：程序运行中随时挂载
应用场景：Arthas等诊断工具
实现方式 ：编写agentmain方法

java 复制代码

public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
    System.out.println("Attach模式执行了...");
}

动态挂载代码：

java 复制代码

VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach("24200"); // 进程ID
vm.loadAgent("agent.jar");

3.2 实战案例1：简化版Arthas

需求： 实现无侵入的Java诊断工具，具备以下功能：

查看内存使用情况
生成堆内存快照
打印线程栈信息
打印类加载器
打印类的源码
打印方法执行参数和耗时

功能1：查看内存使用情况

java 复制代码

private static void memory() {
    List<MemoryPoolMXBean> memoryPoolMXBeans = 
        ManagementFactory.getMemoryPoolMXBeans();
    
    System.out.println("堆内存:");
    getMemoryInfo(memoryPoolMXBeans, MemoryType.HEAP);
    
    System.out.println("非堆内存:");
    getMemoryInfo(memoryPoolMXBeans, MemoryType.NON_HEAP);
    
    // 获取直接内存和内存映射
    Class<?> bufferPoolMXBeanClass = 
        Class.forName("java.lang.management.BufferPoolMXBean");
    List<BufferPoolMXBean> bufferPoolMXBeans = 
        ManagementFactory.getPlatformMXBeans(bufferPoolMXBeanClass);
}

功能2：生成堆内存快照

java 复制代码

public static void heapDump() {
    SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd-HH-mm");
    String filename = sdf.format(new Date()) + ".hprof";
    
    HotSpotDiagnosticMXBean mxBean = 
        ManagementFactory.getPlatformMXBean(HotSpotDiagnosticMXBean.class);
    mxBean.dumpHeap(filename, true); // true表示仅dump存活对象
}

功能3：打印线程栈信息

java 复制代码

public static void printStackInfo() {
    ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();
    ThreadInfo[] infos = threadMXBean.dumpAllThreads(
        threadMXBean.isObjectMonitorUsageSupported(),
        threadMXBean.isSynchronizerUsageSupported()
    );
    
    for (ThreadInfo info : infos) {
        System.out.println("name:" + info.getThreadName() + 
                          " state:" + info.getThreadState());
        StackTraceElement[] stackTrace = info.getStackTrace();
        for (StackTraceElement element : stackTrace) {
            System.out.println(element.toString());
        }
    }
}

功能4：打印类加载器

java 复制代码

private static Set<ClassLoader> getAllClassLoader(Instrumentation inst) {
    HashSet<ClassLoader> classLoaders = new HashSet<>();
    Class<?>[] allLoadedClasses = inst.getAllLoadedClasses();
    for (Class<?> clazz : allLoadedClasses) {
        classLoaders.add(clazz.getClassLoader());
    }
    return classLoaders;
}

功能5：打印类的源码

java 复制代码

public static void printClass(Instrumentation inst, String className) {
    Class<?>[] allLoadedClasses = inst.getAllLoadedClasses();
    for (Class<?> clazz : allLoadedClasses) {
        if (clazz.getName().equals(className)) {
            // 使用Instrumentation获取字节码
            ClassFileTransformer transformer = new ClassFileTransformer() {
                @Override
                public byte[] transform(...) {
                    // 使用JD-Core反编译
                    ClassFileToJavaSourceDecompiler decompiler = 
                        new ClassFileToJavaSourceDecompiler();
                    decompiler.decompile(loader, printer, className);
                    return classfileBuffer;
                }
            };
            inst.addTransformer(transformer, true);
            inst.retransformClasses(clazz);
            inst.removeTransformer(transformer);
        }
    }
}

功能6：打印方法执行的参数和耗时

字节码增强技术选择：

ASM：性能极高，但API复杂
Byte Buddy：基于ASM的易用框架，API友好

Byte Buddy实现：

java 复制代码

public class TimingAdvice {
    @Advice.OnMethodEnter
    static long enter(@Advice.AllArguments Object[] args) {
        if (args != null) {
            for (int i = 0; i < args.length; i++) {
                System.out.println("Argument:" + i + " is " + args[i]);
            }
        }
        return System.nanoTime(); // 返回开始时间
    }
    
    @Advice.OnMethodExit
    static void exit(@Advice.Enter long startTime,
                    @Advice.Origin("#t") String className,
                    @Advice.Origin("#m") String methodName) {
        long cost = System.nanoTime() - startTime;
        System.out.println(methodName + "@" + className + 
                          "耗时为:" + cost + "纳秒");
    }
}

// Agent中配置
new AgentBuilder.Default()
    .type(ElementMatchers.named("com.example.TargetClass"))
    .transform((builder, type, cl, module, pd) -> 
        builder.visit(Advice.to(TimingAdvice.class)
                     .on(ElementMatchers.any()))
    )
    .installOn(inst);

打包方式：

使用maven-shade-plugin将依赖打入同一jar包并指定Main类

xml 复制代码

<plugin>
    <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
    <artifactId>maven-shade-plugin</artifactId>
    <version>1.4</version>
    <configuration>
        <finalName>itheima-attach-agent</finalName>
        <transformers>
            <transformer implementation="...">
                <mainClass>com.itheima.jvm.javaagent.AttachMain</mainClass>
            </transformer>
        </transformers>
    </configuration>
</plugin>

3.3 实战案例2：APM系统数据采集

需求： 编写简化版APM系统，无侵入性地采集Spring Boot应用Controller层方法的调用时间并写入文件。

技术选型：

静态加载模式：程序启动即开始采集
Byte Buddy：字节码增强
JMX：获取基础监控数据

参数传递机制：

java 复制代码

// 启动时传递参数
java -javaagent:./agent.jar=agent.log=/tmp/perf.log -jar app.jar

// Agent中获取参数
public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
    // agentArgs: "agent.log=/tmp/perf.log"
    Map<String, String> params = parseParams(agentArgs);
}

// Byte Buddy绑定参数
Advice.withCustomMapping()
      .bind(AgentParam.class, agentArgs)
      .to(TimingAdvice.class)

Advice实现：

java 复制代码

public class TimingAdvice {
    @Advice.OnMethodEnter
    static long enter() {
        return System.nanoTime();
    }
    
    @Advice.OnMethodExit
    static void exit(@Advice.Enter long startTime,
                    @Advice.Origin("#t") String className,
                    @Advice.Origin("#m") String methodName,
                    @AgentParam("agent.log") String fileName) {
        String log = String.format("%s@%s耗时:%dns%n", 
                                  methodName, className, 
                                  System.nanoTime() - startTime);
        FileUtils.writeStringToFile(new File(fileName), log, 
                                   StandardCharsets.UTF_8, true);
    }
}

// 自定义注解
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface AgentParam {
    String value();
}

类匹配策略：

java 复制代码

.type(ElementMatchers.isAnnotatedWith(
    ElementMatchers.named("org.springframework.web.bind.annotation.RestController")
    .or(ElementMatchers.named("org.springframework.stereotype.Controller"))
))

数据采集结果示例：

复制代码

test@com.itheima.fullgcdemo.Demo2Controller耗时为:6327431纳秒
test@com.itheima.fullgcdemo.Demo2Controller耗时为:2310297纳秒

3.4 面试重点

Q1: Arthas使用了哪些Java技术？

复制代码

Arthas主要使用了Java Agent技术，采用动态加载模式。
通过Instrumentation对象获取JMX监控指标，使用字节码增强技术（基于ASM/BCEL）
对目标类和方法进行增强，从而实现方法耗时、参数、返回值等信息的监控。

Q2: APM系统如何获取Java程序运行性能数据？

复制代码

APM系统如SkyWalking使用Java Agent静态加载模式。
通过字节码增强技术拦截关键路径（如Controller、Service、DAO层），
采集方法执行耗时、SQL语句、RPC调用等信息。
数据通过本地队列或网络上报到Collector，最终存储到ES等存储系统并可视化展示。

技术栈总结：

复制代码

Java Agent ←→ Instrumentation ←→ JMX监控
     ↓
Byte Buddy/ASM ←→ 字节码增强 ←→ 方法拦截
     ↓
Advice通知 ←→ 数据采集 ←→ 日志/网络上报

总结

本高级篇深入介绍了JVM领域的三大前沿技术：

GraalVM：通过AOT编译实现极速启动和低资源消耗，适合Serverless和云原生场景
新一代GC：Shenandoah和ZGC实现亚毫秒级停顿，满足低延迟业务需求
Java Agent：JVM工具的核心技术，实现无侵入监控和诊断

选型建议：

传统应用：JDK 17 + G1 GC
云原生/Serverless：GraalVM AOT + Native Image
超低延迟：ZGC（分代模式）
监控诊断：Java Agent + Byte Buddy组合

生产实践要点：

GraalVM编译需确保环境一致性
ZGC建议设置-Xmx和-XX:SoftMaxHeapSize
Java Agent注意参数传递和类匹配性能
APM采集需考虑对业务性能的影响，异步上报是关键

JVM高级篇总结笔记

目录

1. GraalVM深度解析

1.1 什么是GraalVM

1.2 GraalVM的两种模式

JIT模式（Just-In-Time）

AOT模式（Ahead-Of-Time）

1.3 应用场景与解决方案

1.4 参数优化与故障诊断

2. 新一代垃圾回收器

2.1 技术演进路线

2.2 Shenandoah GC

2.3 ZGC（Z Garbage Collector）

2.4 实战案例：软引用缓存GC表现对比

3. Java工具核心技术

3.1 Java Agent技术

静态加载模式

动态加载模式

3.2 实战案例1：简化版Arthas

功能1：查看内存使用情况

功能2：生成堆内存快照

功能3：打印线程栈信息

功能4：打印类加载器

功能5：打印类的源码

功能6：打印方法执行的参数和耗时

3.3 实战案例2：APM系统数据采集

3.4 面试重点

总结