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JVM 對 Java 有多重要，對程序員面試有多重要，這些不用多說。

如果你還沒意識到學(xué) JVM 的必要性，或者不知道怎么學(xué) JVM，那么看完這篇文章，你就能知道答案了。

曾經(jīng)的我很不屑于學(xué) JVM，但是后來發(fā)現(xiàn)不學(xué)不行。這就像和媳婦吵架之后我不想道歉一樣，不道歉那是不可能的，道歉是早晚的事兒，逃不掉。

后來我明白了：

認(rèn)慫越晚，結(jié)局越慘。

但是我學(xué)的時候才知道：JVM，你太過分了，太難學(xué)了!

我的學(xué)習(xí)過程可以說非常坎坷，不過經(jīng)歷坎坷之后，我倒是發(fā)現(xiàn)學(xué) JVM 的門道很多。

以我的經(jīng)驗加上和同行們的交流，我認(rèn)為學(xué) JVM 最好的方法是：

在程序員不同的水平段，做精準(zhǔn)的學(xué)習(xí)。

所謂的精準(zhǔn)學(xué)習(xí)，就是學(xué)習(xí)對自己工作有巨大幫助的知識點。以工作內(nèi)容帶動學(xué)習(xí)，等到積累多了，再一舉攻克所有 JVM 知識點，最終熟練掌握 JVM 底層原理。

下面我來說說初級、高級、資深程序員，如何循序漸進(jìn)、分步學(xué)習(xí)。

初級程序員怎么學(xué)

對剛?cè)胄械男率殖绦騿T，工作一般是修復(fù)簡單 bug、開發(fā)簡單功能。如何編碼少出 bug，是這個階段的核心問題。

對于這個核心問題，JVM 原理必須深入掌握兩個知識點。

1. 類的初始化

類的初始化，要了解的非常深入才可以。否則，一不留神就會往項目里引入一些有關(guān)初始化的 bug。

比如看看下面這段代碼：

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 被賦值為 " + x); 
    } 
    public void printX() { 
        System.out.println("ChildX = " + childX); 
    } 
 
} 
 
public class TryInitMain { 
    public static void main(String[] args) { 
        ChildClass cc = new ChildClass(); 
        cc.printX(); 
    } 
} 

有興趣可以運行看看結(jié)果，一旦把這種代碼放到了生產(chǎn)環(huán)境里，排查非常困難。

2. Java 內(nèi)存結(jié)構(gòu)和對象分配

第二個知識點，就是 Java 內(nèi)存結(jié)構(gòu)和對象分配的基礎(chǔ)知識，尤其是 JVM 內(nèi)存中堆的布局和對象分配的關(guān)系。

比如，堆內(nèi)存的布局

當(dāng)然，Java7 后，新布局變了

知道布局了，就得知道java對象分配的基本原則：

• 對象優(yōu)先在Eden區(qū)分配
• 對象太大直接會分配到老年代

只有知道這些知識，才不會經(jīng)常寫下底下這種 bug：

// 將全部行數(shù)讀取的內(nèi)存中  
List<String> lines = FileUtils.readLines(new File("temp/test.txt"), Charset.defaultCharset());  
for (String line : lines) {  
    // pass  
}  

上面這段代碼，一旦讀取到了大文件，很可能把生產(chǎn)環(huán)境搞崩。

所以，把上述兩個知識點深入理解了，對新手提升自己的代碼質(zhì)量非常非常有用。只有代碼質(zhì)量上去了，你才能得到更好的發(fā)展。

對于這兩個知識點，我認(rèn)為通過網(wǎng)絡(luò)的文章去學(xué)習(xí)最好。如果直接看書，有兩個最大的缺點：

• 知識積累不足導(dǎo)致學(xué)不懂
• 書中冗余知識點太多，互相交雜，精力耗費過大，性價比不高

故這里學(xué)習(xí)推薦根據(jù)知識點去搜文章讀，而不是找原理性的書籍看。

高級程序員怎么學(xué)

對處于這個階段的朋友，他們已經(jīng)可以熟練編寫健壯的代碼了，經(jīng)常會獨立開發(fā)出一個大的功能模塊，有的可能還能獨立開發(fā)出一個完整的小型項目。

這時候，他們可能會面臨兩種情況：

1. 需要寫一些工具類給全團(tuán)隊使用

在這種情況下，你很可能就需要 Java 中的語法糖，因為語法糖能讓你寫出非常靈活簡單的代碼。這包括泛型，自動拆裝箱，可變參數(shù)還有遍歷循環(huán)。

但是，使用這些語法糖的時候，如果你不熟悉他們在 JVM 中的實現(xiàn)原理，就非常容易栽個大跟頭，

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. 編寫性能優(yōu)越的代碼

什么時候需要性能優(yōu)越的代碼?最常見的就是把以前性能不好的同步實現(xiàn)，轉(zhuǎn)化成異步實現(xiàn)。

而這種要求，就需要開發(fā)對 Java 的多線程開發(fā)非常熟悉，并且一定要深入理解多線程在 JVM 中的原理實現(xiàn)。

不然，可以看看下面這段代碼：

class IncompletedSynchronization { 
  int x; 
 
  public int getX() { 
      return x; 
  } 
 
  public synchronized void setX(int x) { 
      this.x = x; 
  } 
} 

再看看這段：

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

如果把上面這些代碼上了生產(chǎn)環(huán)境，熬通宵排查問題的命運就注定了……

這里的知識點，我推薦通過網(wǎng)上的文章看，又因為涉及到了并發(fā)知識，我建議就著《Java Performance》第二版的“Chapter 9. Threading and Synchronization Performance”這章一起看。

還有余力，建議再繼續(xù)看周志明的那本《深入理解 JAVA 虛擬機(jī)》第三版中的 12-13 章。周志明這本書講的十分深入，也帶來個缺點：門檻高。此時，如果沒看懂可以放一放。

注意，我這里說的是并發(fā)的原理，不是并發(fā)實踐，讀者想學(xué)并發(fā)編程，《JAVA 并發(fā)編程實踐》我認(rèn)為是前提條件，故不會贅述。

資深程序員怎么學(xué)

這時候的你，已經(jīng)開始承擔(dān)項目開發(fā)中很重要的職責(zé)了，有些出色的朋友都開始帶團(tuán)隊了。那這時候，你可能會做下面的事：

1. 合理規(guī)劃項目使用資源

合理規(guī)劃項目使用資源，前提是對垃圾回收有非常深入的了解。

如果說在新手期，已經(jīng)對 Java 對象的內(nèi)存分配和內(nèi)存使用有了大致的概念，那么，這個垃圾回收，則是這類知識的進(jìn)一步拓展。

只有理解了各種垃圾回收的原理，再配合著 Java 內(nèi)存布局的基礎(chǔ)知識，才能更好地規(guī)劃出項目用什么回收算法，才能在合適的資源利用度上得到最佳性能。

比如，新生代和老年代之間的合適比例。比如，新生代中 Eden 和 Survivor 區(qū)域間的比例。

2. 排查各種線上問題

要排查各種問題，就需要對 JVM 提供的各種故障排查工具非常了解。

這些工具又分為兩類：

• 基礎(chǔ)的命令行形式的故障處理工具，比如 jps、jstack 等等
• 第二類是可視化的故障處理工具，比如 VisualVM

但是，掌握工具的使用還不夠。因為有關(guān)垃圾回收的問題，還必須得通過解析 GC 日志后，再通過工具的使用，才可能能定位到問題的根源。

所以，最好對使用故障排查工具和 GC 日志都非常熟練。

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] 

上面這條，應(yīng)該一眼看出來，垃圾算法用的是 Serial 收集器，并且年輕代分配出現(xiàn)了問題，大小可能需要調(diào)整。

這里的知識點，強(qiáng)烈反對看網(wǎng)上的文章，網(wǎng)上說的很多細(xì)節(jié)有問題，疏漏很多。所以，推薦看書。

《Java Performance》第二版里，“Chapter 5. An Introduction to Garbage Collection”，“Chapter 6. Garbage Collection Algorithms”的知識已經(jīng)足夠。

有人去看《深入理解 JAVA 虛擬機(jī)》第三版中的第 3 章，講垃圾收集器與內(nèi)存分配策略的。這里還是老問題，講的太細(xì)，我建議繞過 3.4 節(jié)，講 HotSpot 算法細(xì)節(jié)的那塊兒。

這里安全點這個知識點挺重要，但是現(xiàn)在這個階段想理解挺難的。我覺得將來做一些底層框架，接觸到崩潰恢復(fù)的 checkpoint 相關(guān)思想了，再回頭來學(xué)習(xí)，那才能真正理解和掌握。

技術(shù)專家怎么學(xué)

達(dá)到這個級別了，那就需要對整套 JVM 要有非常深入的了解了，因為你是解決技術(shù)問題的最后保障了。有些時候，甚至還需要因為某些問題開發(fā)出各種各樣的工具。

曾經(jīng)，有個項目時不時總是會報錯：

java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded 

這個問題幾個同事都沒搞定，就來找我。我看了看，突然想起來，以前在官方調(diào)優(yōu)指南《HotSpot Virtual Machine Garbage Collection Tuning Guide》看到過相關(guān)介紹。

JVM 本身內(nèi)存不足就會運行 GC，但是如果每次 GC 回收的內(nèi)存不夠，那么很快就會開始下一次 GC。

JVM 有個默認(rèn)的保護(hù)機(jī)制，如果發(fā)現(xiàn)在一個統(tǒng)計周期內(nèi)，98% 的時間都是在運行 GC，內(nèi)存回收卻少于 2% 的時候，就會報這個錯。

怎么引起的呢?這個問題如果去排查代碼，那真的是難如登天，首先，沒有任何堆棧錯誤去幫助定位問題。其次，項目代碼量大了去了，而且是年頭久遠(yuǎn)。

這時，就需要通過對 JVM 總體的深入理解，去反推問題了。我當(dāng)時是這樣推理的：

內(nèi)存溢出，GC 無法回收問題，說明了兩個問題：

• 堆內(nèi)的內(nèi)存不夠用了
• 占用內(nèi)存的對象要么就是該關(guān)閉的資源沒有關(guān)閉，要么被大量的暫時放在一起了

那如果我 dump 出內(nèi)存文件出來，再分析下就知道是哪些對象在占用內(nèi)存了。

一查發(fā)現(xiàn)是大量的字符串在占用內(nèi)存。

綜合我前面的推測，字符串不是數(shù)據(jù)庫連接，肯定沒有該關(guān)閉未關(guān)閉的問題。那就剩一個可能了，就是被大量的暫時放起來了，導(dǎo)致 GC 回收不了。

那么新問題來了，能大量放字符串的，會是什么?

首先就去猜緩存。根據(jù)這條線索，直接去源碼搜 Cache 關(guān)鍵詞，把所有關(guān)于 Cache 的代碼都看了下。一下子就找到問題了。

原來，我們有個功能是解析一個非常大的文件。文件的格式如下：

需要把這個文件的每一行內(nèi)容按照列去一起存到數(shù)據(jù)庫里。

由于寫代碼的人偷懶，想一次解析完畢后一股腦全塞到數(shù)據(jù)庫里。所以，他弄了個 Map，Map 的 Key 是相同的列名，Value是每一行解析過的內(nèi)容。

而這樣寫代碼的結(jié)果就是，一行對應(yīng)了一個有三個條目的 HashMap。如果文件有十幾萬行，就有十幾萬的 HashMap。然后，這些 HashMap 再存到一個列表里，再把這個列表放到一個叫做 xxxCache 的 HashMap 中。

示意代碼如下：

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); 
    } 
} 

那對這種情況怎么辦呢?代碼還不能大動，只能優(yōu)化。

那時，我們已經(jīng)用了 JDK8 了，引入了 String 常量池。同時，Hashmap 在這個業(yè)務(wù)場景下，容積是固定的，所以，就不應(yīng)該給它多分配空間，就固定死為 3。

優(yōu)化后，代碼如下：

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); 
    } 
} 

把優(yōu)化后的代碼上線，錯誤搞定了!

所以，在這個階段就非得把 JVM 吃透不可了。吃透原理就必須靠看書了。

周志明的《深入理解 JAVA 虛擬機(jī)》是必須的了，但是還不夠。

《Oracle JRockit: The Definitive Guide》這本書我也建議讀一讀，雖然老了，但是里面的很多內(nèi)容，尤其前四章，對 JVM 原理真的快講透了。對 JVM 是如何彈性伸縮去平衡資源和性能關(guān)系的，娓娓道來，讓我醍醐灌頂，編程視野一下子打開了很多。

至此，不同階段的學(xué)習(xí)方法講完了。

總的來說，JVM 知識廣博復(fù)雜，如果想要掌握，不能一蹴而就。而且咱們程序員不容易，需要學(xué)的知識太多，然而咱們的精力卻是有限的。

所以，對于 JVM 原理來說，假設(shè)有些知識點眼前看不懂，用不上，可以先暫時放一放，做到精準(zhǔn)學(xué)習(xí)，把省下來的精力用在別的知識甚至自己的生活上，更有意義。

看完如果覺得有收獲，希望能幫忙轉(zhuǎn)發(fā)、隨手點個在看，你的支持對我很重要。

你好，我是四猿外。

一家上市公司的技術(shù)總監(jiān)，管理的技術(shù)團(tuán)隊一百余人。

我從一名非計算機(jī)專業(yè)的畢業(yè)生，轉(zhuǎn)行到程序員，一路打拼，一路成長。

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