做Java開發(fā)的幾乎都知JVM這個名詞，但是由于JVM對實際的簡單開發(fā)的來說關(guān)聯(lián)的還是不多，一般工作個一兩年(當(dāng)然不包括愛學(xué)習(xí)的及專門做性能優(yōu)化的什么的)，很少有人能很好的去學(xué)習(xí)及理解什么是JVM，以及弄清楚JVM的工作原理，個人認(rèn)為這塊還是非常有必要去認(rèn)真了解及學(xué)習(xí)的，特別是剛?cè)腴T或入門不久的java開發(fā)來說，JVM是Java的基石!

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1.JVM簡析

作為一名Java使用者，掌握J(rèn)VM的體系結(jié)構(gòu)也是很有必要的。

說起Java，我們首先想到的是Java編程語言，然而事實上，Java是一種技術(shù)，它由四方面組成：Java編程語言、Java類文件格式、Java虛擬機和Java應(yīng)用程序接口(Java API)。它們的關(guān)系如下圖所示：

 

 

Java平臺由Java虛擬機和Java應(yīng)用程序接口搭建，Java語言則是進入這個平臺的通道，用Java語言編寫并編譯的程序可以運行在這個平臺上。這個平臺的結(jié)構(gòu)如下圖所示： 運行期環(huán)境代表著Java平臺，開發(fā)人員編寫Java代碼(.java文件)，然后將之編譯成字節(jié)碼(.class文件)，再然后字節(jié)碼被裝入內(nèi)存，一旦字節(jié)碼進入虛擬機，它就會被解釋器解釋執(zhí)行，或者是被即時代碼發(fā)生器有選擇的轉(zhuǎn)換成機器碼執(zhí)行。

 

 

JVM在它的生存周期中有一個明確的任務(wù)，那就是運行Java程序，因此當(dāng)Java程序啟動的時候，就產(chǎn)生JVM的一個實例;當(dāng)程序運行結(jié)束的時候，該實例也跟著消失了。 在Java平臺的結(jié)構(gòu)中, 可以看出，Java虛擬機(JVM) 處在核心的位置，是程序與底層操作系統(tǒng)和硬件無關(guān)的關(guān)鍵。它的下方是移植接口，移植接口由兩部分組成：適配器和Java操作系統(tǒng), 其中依賴于平臺的部分稱為適配器;JVM 通過移植接口在具體的平臺和操作系統(tǒng)上實現(xiàn);在JVM 的上方是Java的基本類庫和擴展類庫以及它們的API， 利用Java API編寫的應(yīng)用程序(application) 和小程序(Java applet) 可以在任何Java平臺上運行而無需考慮底層平臺, 就是因為有Java虛擬機(JVM)實現(xiàn)了程序與操作系統(tǒng)的分離，從而實現(xiàn)了Java 的平臺無關(guān)性。

下面我們從JVM的基本概念和運過程程這兩個方面入手來對它進行深入的研究。

2.JVM基本概念

(1) 基本概念：

JVM是可運行Java代碼的假想計算機 ，包括一套字節(jié)碼指令集、一組寄存器、一個棧、一個垃圾回收，堆 和 一個存儲方法域。JVM是運行在操作系統(tǒng)之上的，它與硬件沒有直接的交互。

(2) 運行過程：

我們都知道Java源文件，通過編譯器，能夠生產(chǎn)相應(yīng)的.Class文件，也就是字節(jié)碼文件，而字節(jié)碼文件又通過Java虛擬機中的解釋器，編譯成特定機器上的機器碼 。

也就是如下：

① Java源文件—->編譯器—->字節(jié)碼文件

② 字節(jié)碼文件—->JVM—->機器碼

每一種平臺的解釋器是不同的，但是實現(xiàn)的虛擬機是相同的，這也就是Java為什么能夠跨平臺的原因了 ，當(dāng)一個程序從開始運行，這時虛擬機就開始實例化了，多個程序啟動就會存在多個虛擬機實例。程序退出或者關(guān)閉，則虛擬機實例消亡，多個虛擬機實例之間數(shù)據(jù)不能共享。

(3) 三種JVM:

① Sun公司的HotSpot;

② BEA公司的JRockit;

③ IBM公司的J9 JVM;

在JDK1.7及其以前我們所使用的都是Sun公司的HotSpot，但由于Sun公司和BEA公司都被oracle收購，jdk1.8將采用Sun公司的HotSpot和BEA公司的JRockit兩個JVM中精華形成jdk1.8的JVM。

3.JVM的體系結(jié)構(gòu)

 

 

(1) Class Loader類加載器

負(fù)責(zé)加載 .class文件，class文件在文件開頭有特定的文件標(biāo)示，并且ClassLoader負(fù)責(zé)class文件的加載等，至于它是否可以運行，則由Execution Engine決定。

① 定位和導(dǎo)入二進制class文件

② 驗證導(dǎo)入類的正確性

③ 為類分配初始化內(nèi)存

④ 幫助解析符號引用.

(2) Native Interface本地接口:

本地接口的作用是融合不同的編程語言為Java所用，它的初衷是融合C/C++程序，Java誕生的時候C/C++橫行的時候，要想立足，必須有調(diào)用C/C++程序，于是就在內(nèi)存中專門開辟了一塊區(qū)域處理標(biāo)記為native的代碼，它的具體作法是Native Method Stack中登記native方法，在Execution Engine執(zhí)行時加載native libraies。

目前該方法使用的越來越少了，除非是與硬件有關(guān)的應(yīng)用，比如通過Java程序驅(qū)動打印機，或者Java系統(tǒng)管理生產(chǎn)設(shè)備，在企業(yè)級應(yīng)用中已經(jīng)比較少見。

因為現(xiàn)在的異構(gòu)領(lǐng)域間的通信很發(fā)達，比如可以使用Socket通信，也可以使用Web Service等。

(3) Execution Engine 執(zhí)行引擎：執(zhí)行包在裝載類的方法中的指令，也就是方法。

(4) Runtime data area 運行數(shù)據(jù)區(qū):

虛擬機內(nèi)存或者Jvm內(nèi)存，沖整個計算機內(nèi)存中開辟一塊內(nèi)存存儲Jvm需要用到的對象，變量等，運行區(qū)數(shù)據(jù)有分很多小區(qū)，分別為：方法區(qū)，虛擬機棧，本地方法棧，堆，程序計數(shù)器。

4.JVM數(shù)據(jù)運行區(qū)詳解(棧管運行，堆管存儲)：

說明：JVM調(diào)優(yōu)主要就是優(yōu)化 Heap堆 和 Method Area 方法區(qū)。

 

 

(1) Native Method Stack本地方法棧

它的具體做法是Native Method Stack中登記native方法，在Execution Engine執(zhí)行時加載native libraies。

(2) PC Register程序計數(shù)器

每個線程都有一個程序計算器，就是一個指針，指向方法區(qū)中的方法字節(jié)碼(下一個將要執(zhí)行的指令代碼)，由執(zhí)行引擎讀取下一條指令，是一個非常小的內(nèi)存空間，幾乎可以忽略不記。

(3) Method Area方法區(qū)

方法區(qū)是被所有線程共享，所有字段和方法字節(jié)碼，以及一些特殊方法如構(gòu)造函數(shù)，接口代碼也在此定義。簡單說，所有定義的方法的信息都保存在該區(qū)域，此區(qū)域?qū)儆诠蚕韰^(qū)間。

靜態(tài)變量+常量+類信息+運行時常量池存在方法區(qū)中，實例變量存在堆內(nèi)存中。

(4) Stack 棧

① 棧是什么

棧也叫棧內(nèi)存，主管Java程序的運行，是在線程創(chuàng)建時創(chuàng)建，它的生命期是跟隨線程的生命期，線程結(jié)束棧內(nèi)存也就釋放，對于棧來說不存在垃圾回收問題，只要線程一結(jié)束該棧就Over，生命周期和線程一致，是線程私有的。

基本類型的變量和對象的引用變量都是在函數(shù)的棧內(nèi)存中分配。

② 棧存儲什么?

棧幀中主要保存3類數(shù)據(jù)：

本地變量(Local Variables)：輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)以及方法內(nèi)的變量;

棧操作(Operand Stack)：記錄出棧、入棧的操作;

棧幀數(shù)據(jù)(Frame Data)：包括類文件、方法等等。

③ 棧運行原理

棧中的數(shù)據(jù)都是以棧幀(Stack Frame)的格式存在，棧幀是一個內(nèi)存區(qū)塊，是一個數(shù)據(jù)集，是一個有關(guān)方法和運行期數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集，當(dāng)一個方法A被調(diào)用時就產(chǎn)生了一個棧幀F(xiàn)1，并被壓入到棧中，A方法又調(diào)用了B方法，于是產(chǎn)生棧幀F(xiàn)2也被壓入棧，B方法又調(diào)用了C方法，于是產(chǎn)生棧幀F(xiàn)3也被壓入棧…… 依次執(zhí)行完畢后，先彈出后進......F3棧幀，再彈出F2棧幀，再彈出F1棧幀。

遵循“先進后出”/“后進先出”原則。

(5) Heap 堆

堆這塊區(qū)域是JVM中最大的，應(yīng)用的對象和數(shù)據(jù)都是存在這個區(qū)域，這塊區(qū)域也是線程共享的，也是 gc 主要的回收區(qū)，一個 JVM 實例只存在一個堆類存，堆內(nèi)存的大小是可以調(diào)節(jié)的。類加載器讀取了類文件后，需要把類、方法、常變量放到堆內(nèi)存中，以方便執(zhí)行器執(zhí)行，堆內(nèi)存分為三部分：

 

 

① 新生區(qū)

新生區(qū)是類的誕生、成長、消亡的區(qū)域，一個類在這里產(chǎn)生，應(yīng)用，最后被垃圾回收器收集，結(jié)束生命。新生區(qū)又分為兩部分：伊甸區(qū)(Eden space)和幸存者區(qū)(Survivor pace)，所有的類都是在伊甸區(qū)被new出來的。幸存區(qū)有兩個：0區(qū)(Survivor 0 space)和1區(qū)(Survivor 1 space)。當(dāng)伊甸園的空間用完時，程序又需要創(chuàng)建對象，JVM的垃圾回收器將對伊甸園進行垃圾回收(Minor GC),將伊甸園中的剩余對象移動到幸存0區(qū)。若幸存0區(qū)也滿了，再對該區(qū)進行垃圾回收，然后移動到1區(qū)。那如果1去也滿了呢?再移動到養(yǎng)老區(qū)。若養(yǎng)老區(qū)也滿了，那么這個時候?qū)a(chǎn)生Major GC(FullGCC)，進行養(yǎng)老區(qū)的內(nèi)存清理。若養(yǎng)老區(qū)執(zhí)行Full GC 之后發(fā)現(xiàn)依然無法進行對象的保存，就會產(chǎn)生OOM異常“OutOfMemoryError”。

如果出現(xiàn)java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space異常，說明Java虛擬機的堆內(nèi)存不夠。原因有二：

a.Java虛擬機的堆內(nèi)存設(shè)置不夠，可以通過參數(shù)-Xms、-Xmx來調(diào)整。

b.代碼中創(chuàng)建了大量大對象，并且長時間不能被垃圾收集器收集(存在被引用)。

② 養(yǎng)老區(qū)

養(yǎng)老區(qū)用于保存從新生區(qū)篩選出來的 JAVA 對象，一般池對象都在這個區(qū)域活躍。

③ 永久區(qū)

永久存儲區(qū)是一個常駐內(nèi)存區(qū)域，用于存放JDK自身所攜帶的 Class,Interface 的元數(shù)據(jù)，也就是說它存儲的是運行環(huán)境必須的類信息，被裝載進此區(qū)域的數(shù)據(jù)是不會被垃圾回收器回收掉的，關(guān)閉 JVM 才會釋放此區(qū)域所占用的內(nèi)存。

如果出現(xiàn)java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space，說明是Java虛擬機對永久代Perm內(nèi)存設(shè)置不夠。原因有二：

a. 程序啟動需要加載大量的第三方j(luò)ar包。例如：在一個Tomcat下部署了太多的應(yīng)用。

b. 大量動態(tài)反射生成的類不斷被加載，最終導(dǎo)致Perm區(qū)被占滿。

說明：

Jdk1.6及之前：常量池分配在永久代 。

Jdk1.7：有，但已經(jīng)逐步“去永久代” 。

Jdk1.8及之后：無(java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,這種錯誤將不會出現(xiàn)在JDK1.8中)。

 

 

說明：方法區(qū)和堆內(nèi)存的異議：

實際而言，方法區(qū)和堆一樣，是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲虛擬機加載的：類信息+普通常量+靜態(tài)常量+編譯器編譯后的代碼等等，雖然JVM規(guī)范將方法區(qū)描述為堆的一個邏輯部分，但它卻還有一個別名叫做Non-Heap(非堆)，目的就是要和堆分開。

對于HotSpot虛擬機，很多開發(fā)者習(xí)慣將方法區(qū)稱之為“永久代(Parmanent Gen)”,但嚴(yán)格本質(zhì)上說兩者不同，或者說使用永久代來實現(xiàn)方法區(qū)而已，永久代是方法區(qū)的一個實現(xiàn)，jdk1.7的版本中，已經(jīng)將原本放在永久代的字符串常量池移走。

常量池(Constant Pool)是方法區(qū)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，還有一項信息就是常量池，這部分內(nèi)容將在類加載后進入方法區(qū)的運行時常量池中存放。

5.堆內(nèi)存調(diào)優(yōu)簡介

 

 

代碼測試：

public class JVMTest { 
 
public static void main(String[] args){ 
 
long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();//返回Java虛擬機試圖使用的最大內(nèi)存量。 
 
Long totalMemory = Runtime. getRuntime().totalMemory();//返回Java虛擬機中的內(nèi)存總量。 
 
System.out.println("MAX_MEMORY ="+maxMemory +"(字節(jié))、"+(maxMemory/(double)1024/1024) + "MB"); 
 
System.out.println("TOTAL_ MEMORY = "+totalMemory +"(字節(jié))"+(totalMemory/(double)1024/1024) + "MB"); 
 
} 
 
} 

說明：在Run as ->Run Configurations中輸入"-XX:+PrintGCDetails"可以查看堆內(nèi)存運行原理圖：

(1) 在jdk1.7中：

 

 

(2) 在jdk1.8中:

 

 

6.通過參數(shù)設(shè)置自動觸發(fā)垃圾回收：

public class JVMTest { 
 
public static void main(String[] args){ 
 
long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();//返回Java虛擬機試圖使用的最大內(nèi)存量。 
 
Long totalMemory = Runtime. getRuntime().totalMemory();//返回Java虛擬機中的內(nèi)存總量。 
 
System.out.println("MAX_MEMORY ="+maxMemory +"(字節(jié))、"+(maxMemory/(double)1024/1024) + "MB"); 
 
System.out.println("TOTAL_ MEMORY = "+totalMemory +"(字節(jié))"+(totalMemory/(double)1024/1024) + "MB"); 
 
String str = "www.baidu.com"; 
 
while(true){ 
 
str += str + new Random().nextInt(88888888) + new Random().nextInt(99999999); 
 
} 
 
} 
 
} 
 
在Run as ->Run Configurations中輸入設(shè)置“-Xmx8m –Xms8m –xx:+PrintGCDetails”可以參看垃圾回收機制原理: 

在Run as ->Run Configurations中輸入設(shè)置“-Xmx8m –Xms8m –xx:+PrintGCDetails”可以參看垃圾回收機制原理: