JVM原理

什么是JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。
Java 虚拟机 (JVM)是提供运行时环境来驱动 Java 代码或应用程序的引擎。它将 Java 字节码转换为机器语言。JVM 是 Java 运行环境 (JRE) 的一部分。在其他编程语言中，编译器为特定系统生成机器代码。但是，Java编译器为称为Java 虚拟机的虚拟机生成代码。

JRE/JDK/JVM是什么关系

• JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java运行环境)也就是Java平台。所有的Java 程序都要在JRE下才能运行。普通用户只需要运行已开发好的java程序，安装JRE即可。
• JDK(Java Development Kit)是程序开发者用来来编译、调试java程序用的开发工具包。JDK的工具也是Java程序，也需要JRE才能运行。为了保持JDK的独立性和完整性，在JDK的安装过程中，JRE也是 安装的一部分。所以在JDK的安装目录下有一个名为jre的目录，用于存放JRE文件。
• JVM(JavaVirtualMachine，Java虚拟机)是JRE的一部分。它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。JVM有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。Java语言最重要的特点就是跨平台运行。使用JVM就是为了支持与操作系统无关，实现跨平台。

JVM特点

• 跨平台（移植性高）

Java能够跨平台的重要原因就是得益于JVM。

• 自动内存管理

JVM的工作原理

首先，Java 代码被编译成字节码（javac编译），这个字节码在不同的机器上被解释，在主机系统和 Java 源代码之间，字节码是一种中介语言，Java 中的JVM负责分配内存空间

JVM结构

JVM体系结构.jpeg

• 类装载器（ClassLoader）（用来装.class文件）

• 执行引擎（执行字节码，或者执行本地方法）

• 运行时数据区（方法区、堆、java栈又称为Java 虚拟机栈、PC寄存器又称为程序计数器、本地方法栈）

程序计数器（PC 寄存器）

• 程序计数器的定义

  • 程序计数器是一块较小的内存空间，是当前线程正在执行的那条字节码指令的地址。若当前线程正在执行的是一个本地方法，那么此时程序计数器为Undefined。

• 程序计数器的作用

  • 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制。
  • 在多线程情况下，程序计数器记录的是当前线程执行的位置，从而当线程切换回来时，就知道上次线程执行到哪了。

• 程序计数器的特点

  • 是一块较小的内存空间。
  • 线程私有，每条线程都有自己的程序计数器。
  • 生命周期：随着线程的创建而创建，随着线程的结束而销毁。
  • 是唯一一个不会出现OutOfMemoryError的内存区域。

Java 虚拟机栈（Java 栈）

• Java 虚拟机栈的定义

  • Java 虚拟机栈是描述 Java 方法运行过程的内存模型。

• Java 虚拟机栈会为每一个即将运行的 Java 方法创建一块叫做“栈帧”的区域，用于存放该方法运行过程中的一些信息，如：

  • 局部变量表
  • 操作数栈
  • 动态链接
  • 方法出口信息

  • ......

    
    Java栈.jpg

• 压栈出栈过程

当方法运行过程中需要创建局部变量时，就将局部变量的值存入栈帧中的局部变量表中。

Java 虚拟机栈的栈顶的栈帧是当前正在执行的活动栈，也就是当前正在执行的方法，PC 寄存器也会指向这个地址。只有这个活动的栈帧的本地变量可以被操作数栈使用，当在这个栈帧中调用另一个方法，与之对应的栈帧又会被创建，新创建的栈帧压入栈顶，变为当前的活动栈帧。

方法结束后，当前栈帧被移出，栈帧的返回值变成新的活动栈帧中操作数栈的一个操作数。如果没有返回值，那么新的活动栈帧中操作数栈的操作数没有变化。

由于 Java 虚拟机栈是与线程对应的，数据不是线程共享的，因此不用关心数据一致性问题，也不会存在同步锁的问题。

• Java 虚拟机栈的特点

  • 局部变量表随着栈帧的创建而创建，它的大小在编译时确定，创建时只需分配事先规定的大小即可。在方法运行过程中，局部变量表的大小不会发生改变。
  • Java 虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。
  • StackOverFlowError 若 Java 虚拟机栈的大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度时，抛出 StackOverFlowError 异常。
  • OutOfMemoryError 若允许动态扩展，那么当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展时，抛出 OutOfMemoryError异常。
  • Java 虚拟机栈也是线程私有，随着线程创建而创建，随着线程的结束而销毁。

出现 StackOverFlowError 时，内存空间可能还有很多。

本地方法栈（C 栈）

• 本地方法栈的定义

本地方法栈是为 JVM 运行Native 方法准备的空间，由于很多Native 方法都是用 C 语言实现的，所以它通常又叫 C 栈。它与 Java 虚拟机栈实现的功能类似，只不过本地方法栈是描述本地方法运行过程的内存模型。

• 栈帧变化过程

本地方法被执行时，在本地方法栈也会创建一块栈帧，用于存放该方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息等。

方法执行结束后，相应的栈帧也会出栈，并释放内存空间。也会抛出 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 异常。

如果 Java 虚拟机本身不支持 Native 方法，或是本身不依赖于传统栈，那么可以不提供本地方法栈。如果支持本地方法栈，那么这个栈一般会在线程创建的时候按线程分配。

堆

• 堆的定义

堆是用来存放对象的内存空间，几乎所有的对象都存储在堆中。

• 堆的特点

  • 线程共享，整个 Java 虚拟机只有一个堆，所有的线程都访问同一个堆。而程序计数器、Java 虚拟机栈、本地方法栈都是一个线程对应一个。
  • 在虚拟机启动时创建。
  • 是垃圾回收的主要场所。

• 进一步可分为：新生代（Eden 区：From Survior，To Survivor）、老年代。

不同的区域存放不同生命周期的对象，这样可以根据不同的区域使用不同的垃圾回收算法，更具有针对性。

堆的大小既可以固定也可以扩展，但对于主流的虚拟机，堆的大小是可扩展的，因此当线程请求分配内存，但堆已满，且内存已无法再扩展时，就抛出 OutOfMemoryError 异常。

Java 堆所使用的内存不需要保证是连续的。而由于堆是被所有线程共享的，所以对它的访问需要注意同步问题，方法和对应的属性都需要保证一致性。

方法区

• 方法区的定义

  • Java 虚拟机规范中定义方法区是堆的一个逻辑部分。方法区存放以下信息：

    • 已经被虚拟机加载的类信息
    • 常量
    • 静态变量
    • 即时编译器编译后的代码

• 方法区的特点

  • 线程共享。 方法区是堆的一个逻辑部分，因此和堆一样，都是线程共享的。整个虚拟机中只有一个方法区。
  • 永久代。 方法区中的信息一般需要长期存在，而且它又是堆的逻辑分区，因此用堆的划分方法，把方法区称为“永久代”。
  • 内存回收效率低。 方法区中的信息一般需要长期存在，回收一遍之后可能只有少量信息无效。主要回收目标是：对常量池的回收；对类型的卸载。
  • Java 虚拟机规范对方法区的要求比较宽松。 和堆一样，允许固定大小，也允许动态扩展，还允许不实现垃圾回收。

• 运行时常量池

方法区中存放：类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。常量就存放在运行时常量池中。

当类被 Java 虚拟机加载后，.class文件中的常量就存放在方法区的运行时常量池中。而且在运行期间，可以向常量池中添加新的常量。如 String 类的 intern() 方法就能在运行期间向常量池中添加字符串常量。