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一文帶你理解JVM

1、jdk、jre、jvm的區(qū)別與聯(lián)系

jdk的全稱是Java Development kit(java開發(fā)工具包)，我們可以把程序設計語言、java虛擬機、java類庫這三部分統(tǒng)稱為jdk，jdk是用于支持java程序開發(fā)的最小環(huán)境。Developer可以很容易的使用里面的方法以減少代碼量，里面同時包含jre和一些開發(fā)的小工具(如編譯工具javac)，同時包含了jre。

jre的全稱是Java Running Environment(java運行時環(huán)境 )，可以把java類庫API中的javaSE的API子集和java虛擬機這兩部分統(tǒng)稱為JRE，JRE是支持java程序運行的標準環(huán)境。

jvm的全稱java virtual machine(java 虛擬機)，它只認識XXX.class文件，虛擬機可以識別這種文件的字節(jié)碼指令并調(diào)用操作系統(tǒng)上的API，正是這個原因，java才可以跨平臺使用。

2、代碼是如何執(zhí)行的

jvm是一個軟件，它幫我們屏蔽了底層的操作系統(tǒng)、硬件、CPU指令層的細節(jié)

它的口號是Write Once,Run Everywhere.我們來看一下代碼的執(zhí)行流程。

圖中的Test.java文件是按照java語法規(guī)則編寫的源文件，是一種高級語言，.java文件經(jīng)javac編譯后就生成字節(jié)碼文件，字節(jié)碼文件是用于給java虛擬機執(zhí)行用的，該文件的格式規(guī)范受到java虛擬機的定義。而jvm的目的就是將字節(jié)碼文件Test.class翻譯為操作系統(tǒng)及硬件的指令，便于在不同的操作系統(tǒng)上執(zhí)行。

NOTE：jvm虛擬機并不是僅僅只針對java語言，像一些其它編程語言如Groovy、Scala和Kotlin也可以在jvm虛擬機上運行上，這些語言僅僅需要實現(xiàn)一個編譯器，通過該編譯器把源代碼文件編譯成JVM能識別的字節(jié)碼文件即可。

3、JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)

3.1類加載子系統(tǒng)

在java虛擬機中，負責查找并裝載類的部分稱為裝載子系統(tǒng)，裝載子系統(tǒng)用于定位和加載譯碼后的class文件。在加載階段，虛擬機需要完成以下事情

• 通過一個類的全限定名來獲取定義此類的二進制字節(jié)流
• 將這個字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為元空間中運行時的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
• 在內(nèi)存中生成一個代表這個類的java.lang.Class對象，作為方法這個類的各種數(shù)據(jù)訪問入口

加載過程下圖所示

類的加載是通過查詢路徑的方式進行的，加載階段既可以使用虛擬機里內(nèi)置的引導類加載器來完成，也可以由用戶自定義類加載器來完成。其加載順序如下

1、Bootstrap ClassLoader：啟動類加載器，加載存放在\lib目錄，或者被Xbootclasspath選項指定的jar包，如rt.jar、tools.jar

2、Extension ClassLoader：擴展類加載器，加載\lib\ext*.jar或者-java.ext.dirs指定目錄下的jar包

3、AppClassLoader：應用程序類加載器，加載Classpath或java.class.path所指定的目錄下的類和jar包

4、Custom ClassLoader:通過java.lang.ClassLoader的子類自定義加載class

實際上，上面描述的僅僅是類加載過程中的加載過程，類加載的整個過程包括：加載、驗證、準備、解析和初始化

字節(jié)碼--->加載--->驗證--->準備--->解析--->初始化，其中驗證、準備和解析階段可以統(tǒng)稱為鏈接階段。

下面我們講解每個階段的作用

• 驗證：驗證是鏈接階段的第一步，這一階段的目的是確保Class文件的字節(jié)流包含的信息符合《java虛擬機規(guī)范》的全部約束要求，確保這些信息被當做代碼運行后不會危害虛擬機自身的安全
• 準備：正式為類中定義的變量(靜態(tài)變量)分配內(nèi)存并設置類變量初始值階段。
• 解析：java虛擬機將常量池(元數(shù)據(jù)區(qū)的一部分)內(nèi)的符號引用替換為直接引用過程
• 初始化：類的初始化是類加載過程的最后一步，它的作用是真正開始執(zhí)行類中編寫的java程序代碼

類加載會將類的信息加入到元數(shù)據(jù)空間。

如果一個類型從被加載到虛擬機內(nèi)存開始，到出卸載為止，它的整個生命周期將在類加載的基礎上增加使用和卸載階段

3.2jvm內(nèi)存部分(運行時數(shù)據(jù)區(qū))

jvm在運行時會把它所管理的內(nèi)存劃分為若干不同的數(shù)據(jù)區(qū)域，宏觀上可以劃分為兩部分

1、線程私有數(shù)據(jù)區(qū)(3個部分)

• 程序計數(shù)器

①程序計數(shù)器是一塊內(nèi)存較小的空間，它可以看做是當前線程執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器

②它是程序控制流的指示器，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、多線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成

③線程私有，各條線程之間計數(shù)器互不影響，獨立存儲，

④隨著線程的結(jié)束而結(jié)束，不需要垃圾回收

⑤不會出現(xiàn)OutOfMemoryError

• 虛擬機棧

與程序計數(shù)器一樣，java虛擬機棧也是線程私有的，不會被GC回收，它的生命周期與線程相同，java虛擬機棧描述的是java方法執(zhí)行線程的內(nèi)存模型：每個方法被執(zhí)行的時候(一個方法對應著一個棧幀)，java虛擬機棧都會同步創(chuàng)建一個棧幀用于存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。當棧的深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常，如果java虛擬機的容量可以動態(tài)擴展，當棧擴展時無法申請到足夠的內(nèi)存時將會拋出OutOfMemoryError異常。棧里面運行方法，存放方法的局部變量名，變量名所指向的值(常量值、對象值等)都存放在堆上。每一個方法被調(diào)用直至執(zhí)行完畢的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機棧從入棧到出棧的過程。

①局部變量表：是一組變量的存儲空間，用于存放方法的參數(shù)和方法內(nèi)部定義的局部變量，局部變量分為兩種，分別是基本數(shù)據(jù)類型和引用類型(引用類型指向堆中對象的地址)，常量值指向元空間。

②操作棧：操作棧也被稱為操作數(shù)棧，它是一個后入先出的棧。當一個方法剛開始執(zhí)行的時候，這個方法的操作數(shù)棧是空的，在方法的執(zhí)行過程中，會有各種字節(jié)碼指令往操作數(shù)棧中寫入和提取內(nèi)容，也就是出棧和入棧操作，一個完整的方法執(zhí)行期間往往包含多個這樣入棧和出棧的過程。操作數(shù)棧中元素的數(shù)據(jù)類型必須與字節(jié)碼指令的序列嚴格匹配。

③動態(tài)鏈接：每個棧幀都包含一個指向運行時常量池中該棧幀所屬方法的引用，持有這個引用是為了支持方法調(diào)用過程中的動態(tài)鏈接。一個方法要調(diào)用其它方法，需要將這些方法的符號引用轉(zhuǎn)化為其內(nèi)存地址的直接引用，而符號引用存在于方法區(qū)中的運行時常量池，所有需要在運行時動態(tài)的將這些符號引用轉(zhuǎn)化為直接引用。

④返回地址：方法不管是正常執(zhí)行結(jié)束還是異常退出，需要返回方法被調(diào)用的位置。

• 本地方法棧

本地方法棧與虛擬機棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其區(qū)別在于虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行java方法(也就是字節(jié)碼)服務，而本地方法棧則是為虛擬機使用到的本地(Native)方法服務。與虛擬機棧一樣，本地方法棧也會在棧深度溢出或者棧擴展失敗時分別拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError。線程私有，不會被GC回收。

有的虛擬機直接將虛擬機棧和本地方法棧合二為一，不在單獨考慮。

總結(jié)：線程私有的三個部分都是隨著線程執(zhí)行結(jié)束而結(jié)束(JVM就銷毀了虛擬機棧里面的棧幀)。

2、線程公有數(shù)據(jù)區(qū)(2個部分)

• 元空間

在jdk1.8之前，元空間所在的區(qū)域被稱為方法區(qū)，方法區(qū)在jdk1.7時合并到了堆。

jdk1.8時，方法區(qū)所在的區(qū)域被稱為元空間，但是1.8仍然保留著方法區(qū)的概念，只不過實現(xiàn)方式不同，元空間與堆不相連，但與堆共享物理內(nèi)存，邏輯上可以認為在堆中。

元空間的特點

①線程共享

②存儲類信息、常量、運行時常量池、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)

③在jdk1.7之前，在HotSpot虛擬機上將方法區(qū)成為永久代，在jdk1.8時，完全放棄了永久代，改用了元空間

④因為效率問題，無垃圾回收

⑤空間不夠時，OutOfMemoryError

⑥設置元空間的大小--XX:Metaspace=10M-XX:MetaspaceSize=10M

運行時常量池的特點

運行時常量池是元空間的一部分，Class文件除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息是常量池表，用于存放編譯期生成的各種字面量的符號引用，這部分內(nèi)容將在類加載后存放到元空間的運行時常量池中。

總結(jié)

jdk1.6及之前：有永久代，常量池在方法區(qū)

jdk1.7：從某個版本開始去除永久代，常量池1.7放入堆中

jdk1.8及之后：無永久代，常量池1.8在元空間。

• 堆

java堆(heap)是虛擬機所管理的內(nèi)存中最大的一塊，java堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機啟動時創(chuàng)建，幾乎所有的對象實例和數(shù)組都在堆上分配。

java堆是垃圾收集器管理的內(nèi)存區(qū)域，從回收的角度看，由于現(xiàn)代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理論設計的，所以java堆可以分為新生代和老年代，新生代又可以分為Eden空間、From Survivor空間和To Survivor空間，無論怎樣劃分，都是為了更好的進行垃圾回收。

java堆可以被實現(xiàn)成固定大小的，也可以是擴展的(通過-Xmx和-Xms設定)。如果在java堆中沒有內(nèi)存完成實例分配，并且堆無法在擴展時，java虛擬機將會拋出OutOfMemory異常。

在堆中加載實例對象的順序

當老年代空間滿時，將會拋出OutOfMemory異常。

java堆溢出

不斷創(chuàng)建對象又不釋放，當對象到達一定數(shù)量時，無堆空間時將會產(chǎn)生堆溢出

內(nèi)存泄漏：GC Roots到對象之間有可達路徑卻無法回收(存在對象引用，卻沒有釋放)

內(nèi)存溢出：內(nèi)存溢出是指應用系統(tǒng)中存在無法回收的內(nèi)存或使用內(nèi)存過多，最終使得程序運行要用到的內(nèi)存大于能提供的最大內(nèi)存。在Java虛擬機中，GC Roots到對象之間無可達路徑，可以被收集，但對象還存活著，此時可以根據(jù)物理機內(nèi)存適當?shù)恼{(diào)大虛擬機參數(shù)-Xms、-Xmx，分析代碼是否對象生命周期過長。對象是否持有狀態(tài)時間過長。

參考文獻

[1]周志明.深入理解java虛擬機

[2]https://www.bilibili.com/video/BV13J411n72m?from=search&seid=7875422419866373500

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的jvm虚拟机_一文入门jvm虚拟机的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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