JVM概述

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基本介绍

JVM：全称 Java Virtual Machine，即 Java 虚拟机，一种规范，本身是一个虚拟计算机，直接和操作系统进行交互，与硬件不直接交互，而操作系统可以帮我们完成和硬件进行交互的工作

特点：

• Java 虚拟机基于二进制字节码执行，由一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆、一个方法区等组成
• JVM 屏蔽了与操作系统平台相关的信息，从而能够让 Java 程序只需要生成能够在 JVM 上运行的字节码文件，通过该机制实现的跨平台性

Java 代码执行流程：Java 程序 --（编译）--> 字节码文件 --（解释执行）--> 操作系统（Win，Linux）

JVM 结构：

JVM、JRE、JDK 对比：

• JDK(Java SE Development Kit)：Java 标准开发包，提供了编译、运行 Java 程序所需的各种工具和资源
• JRE( Java Runtime Environment)：Java 运行环境，用于解释执行 Java 的字节码文件

架构模型

Java 编译器输入的指令流是一种基于栈的指令集架构。因为跨平台的设计，Java 的指令都是根据栈来设计的，不同平台 CPU 架构不同，所以不能设计为基于寄存器架构

• 基于栈式架构的特点：
  • 设计和实现简单，适用于资源受限的系统
  • 使用零地址指令方式分配，执行过程依赖操作栈，指令集更小，编译器容易实现
    • 零地址指令：机器指令的一种，是指令系统中的一种不设地址字段的指令，只有操作码而没有地址码。这种指令有两种情况：一是无需操作数，另一种是操作数为默认的（隐含的），默认为操作数在寄存器（ACC）中，指令可直接访问寄存器
    • 一地址指令：一个操作码对应一个地址码，通过地址码寻找操作数
  • 不需要硬件的支持，可移植性更好，更好实现跨平台
• 基于寄存器架构的特点：
  • 需要硬件的支持，可移植性差
  • 性能更好，执行更高效，寄存器比内存快
  • 以一地址指令、二地址指令、三地址指令为主

生命周期

JVM 的生命周期分为三个阶段，分别为：启动、运行、死亡

• 启动：当启动一个 Java 程序时，通过引导类加载器（bootstrap class loader）创建一个初始类（initial class），对于拥有 main 函数的类就是 JVM 实例运行的起点

• 运行：

  • main() 方法是一个程序的初始起点，任何线程均可由在此处启动

  • 在 JVM 内部有两种线程类型，分别为：用户线程和守护线程，JVM 使用的是守护线程，main() 和其他线程使用的是用户线程，守护线程会随着用户线程的结束而结束

  • 执行一个 Java 程序时，真真正正在执行的是一个 Java 虚拟机的进程

  • JVM 有两种运行模式 Server 与 Client，两种模式的区别在于：Client 模式启动速度较快，Server 模式启动较慢；但是启动进入稳定期长期运行之后 Server 模式的程序运行速度比 Client 要快很多

    Server 模式启动的 JVM 采用的是重量级的虚拟机，对程序采用了更多的优化；Client 模式启动的 JVM 采用的是轻量级的虚拟机

• 死亡：

  • 当程序中的用户线程都中止，JVM 才会退出
  • 程序正常执行结束、程序异常或错误而异常终止、操作系统错误导致终止
  • 线程调用 Runtime 类 halt 方法或 System 类 exit 方法，并且 Java 安全管理器允许这次 exit 或 halt 操作

内存概述

内存结构是 JVM 中非常重要的一部分，是非常重要的系统资源，是硬盘和 CPU 的桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行，又叫运行时数据区

JVM 内存结构规定了 Java 在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了 JVM 的高效稳定运行

• Java1.8 以前的内存结构图：
  

• Java1.8 之后的内存结果图：

  

线程运行诊断：

• 定位：jps 定位进程 ID
• jstack 进程 ID：用于打印出给定的 Java 进程 ID 或 core file 或远程调试服务的 Java 堆栈信息

常见 OOM 错误：

• java.lang.StackOverflowError
• java.lang.OutOfMemoryError：java heap space
• java.lang.OutOfMemoryError：GC overhead limit exceeded
• java.lang.OutOfMemoryError：Direct buffer memory
• java.lang.OutOfMemoryError：unable to create new native thread
• java.lang.OutOfMemoryError：Metaspace

方法区

方法区：是各个线程共享的内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、即时编译器编译后的代码等数据，虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是也叫 Non-Heap（非堆）

方法区是一个 JVM 规范，永久代与元空间都是其一种实现方式

方法区的大小不必是固定的，可以动态扩展，加载的类太多，可能导致永久代内存溢出 (OutOfMemoryError)

方法区的 GC：针对常量池的回收及对类型的卸载，比较难实现

为了避免方法区出现 OOM，在 JDK8 中将堆内的方法区（永久代）移动到了本地内存上，重新开辟了一块空间，叫做元空间，元空间存储类的元信息，静态变量和字符串常量池等放入堆中

类元信息：在类编译期间放入方法区，存放了类的基本信息，包括类的方法、参数、接口以及常量池表

常量池表（Constant Pool Table）是 Class 文件的一部分，存储了类在编译期间生成的字面量、符号引用，JVM 为每个已加载的类维护一个常量池

• 字面量：基本数据类型、字符串类型常量、声明为 final 的常量值等
• 符号引用：类、字段、方法、接口等的符号引用

运行时常量池是方法区的一部分

• 常量池（编译器生成的字面量和符号引用）中的数据会在类加载的加载阶段放入运行时常量池
• 类在解析阶段将这些符号引用替换成直接引用
• 除了在编译期生成的常量，还允许动态生成，例如 String 类的 intern()

本地内存

基本介绍

虚拟机内存：Java 虚拟机在执行的时候会把管理的内存分配成不同的区域，受虚拟机内存大小的参数控制，当大小超过参数设置的大小时就会报 OOM

本地内存：又叫做堆外内存，线程共享的区域，本地内存这块区域是不会受到 JVM 的控制的，不会发生 GC；因此对于整个 Java 的执行效率是提升非常大，但是如果内存的占用超出物理内存的大小，同样也会报 OOM

本地内存概述图：

元空间

JDK 8中PermGen 被元空间代替，永久代的类信息、方法、常量池等都移动到元空间区

元空间与永久代区别：元空间不在虚拟机中，使用的本地内存，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制

方法区内存溢出：

• JDK1.8 以前会导致永久代内存溢出：java.lang.OutOfMemoryError: PerGen space

  1	-XX:MaxPermSize=8m #参数设置

• JDK1.8 以后会导致元空间内存溢出：java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace

  1	-XX:MaxMetaspaceSize=8m #参数设置

元空间内存溢出演示：

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public class Demo1_8 extends ClassLoader { // 可以用来加载类的二进制字节码
    public static void main(String[] args) {
        int j = 0;
        try {
            Demo1_8 test = new Demo1_8();
            for (int i = 0; i < 10000; i++, j++) {
                // ClassWriter 作用是生成类的二进制字节码
                ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
                // 版本号， public， 类名, 包名, 父类， 接口
                cw.visit(Opcodes.V1_8, Opcodes.ACC_PUBLIC, "Class" + i, null, "java/lang/Object", null);
                // 返回 byte[]
                byte[] code = cw.toByteArray();
                // 执行了类的加载
                test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length); // Class 对象
            }
        } finally {
            System.out.println(j);
        }
    }
}

程序计数器

JVM中的程序计数寄存器（Program Counter Register）中，Register的命名源于CPU的寄存器，寄存器存储指令相关信息的现场信息。CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行。这里，并非是广义上所指的物理寄存器，或许将其翻译为PC计数器(或指令计数器)会更加贴切（也称为程序钩子），并且也不容易引起一些不必要的误会。JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器一种抽象的模拟。

特点

• 它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不计，但也是运行最快的存储区域。
• 在JVM规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程的生命周期保持一致。
• 任何时间一个线程都只有一个方法在运行，也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址；或者，如果是在执行native方法，则是未指定值（undefined）。
• 它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个指示器完成。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。
• 它是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任何outofMemoryError情况的区域。

程序计数寄存器设置为私有的原因

多线程是在某一段特定时间内执行其中某一个线程的方法，CPU会不停地做任务切换，这样必然会导致中断或恢复。为了能够精确的记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，最好的办法就是自然为每一个线程都分配一个PC寄存器，这样一来每个线程都可以进行独立的计算，从而不会出现相互干扰的现象。
由于CPU时间片轮限制，众多线程在并发执行过程中，任何一个确定的时刻，一个处理器或多核处理器中的一个内核，只会执行某一个线程的一条指令。
这样必然会导致经常恢复或中断，在每个线程创建后，都会产生自己的程序计数器和栈帧，程序计数器在各个线程中互不影响。