【JAVA】JVM

一、JVM简介

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虚拟机包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。 JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码）,就可以在多种平台上不加修改地运行。JVM在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行，至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。这就是Java的能够“一次编译，到处运行”的原因。

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二、JVM的组成

我们先把JVM这个虚拟机画出来，如下图所示：

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从这张图中我们可以看出，JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。

1、Class Loader 类加载器
类加载器的作用是加载类文件到内存，比如编写一个HelloWord.java 程序，然后通过javac 编译成class 文件，那怎么才能加载到内存中被执行呢？Class Loader 承担的就是这个责任，那不可能随便建立一个.class 文件就能被加载的，Class Loader 加载的class 文件是有格式要求。

Class Loader 只管加载，只要符合文件结构就加载，至于说能不能运行，则不是它负责的，那是由Execution Engine 负责的。

2、Execution Engine 执行引擎
执行引擎也叫做解释器(Interpreter) ，负责解释命令，提交操作系统执行。

3、Native Interface 本地接口
本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java 所用，它的初衷是融合C/C++ 程序，Java 诞生的时候是C/C++ 横行的时候，要想立足，必须有一个聪明的、睿智的调用C/C++ 程序，于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native 的代码，它的具体做法是Native Method Stack 中登记native 方法，在Execution Engine 执行时加载native libraies 。目前该方法使用的是越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java 程序驱动打印机，或者Java 系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见，因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用Socket 通信，也可以使用Web Service 等等，不多做介绍。

4、 Runtime data area 运行数据区
运行数据区是整个JVM 的重点。我们所有写的程序都被加载到这里，之后才开始运行，Java 生态系统如此的繁荣，得益于该区域的优良自治。

整个JVM 框架由加载器加载文件，然后执行器在内存中处理数据，需要与异构系统交互是可以通过本地接口进行，瞧，一个完整的系统诞生了！

三、JVM的内存管理

所有的数据和程序都是在运行数据区存放，它包括以下几部分：

1、 Stack 栈
栈也叫栈内存，是Java程序的运行区，是在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束，该栈就Over。问题出来了：栈中存的是那些数据呢？又什么是格式呢？

栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在，栈帧是一个内存区块，是一个数据集，是一个有关方法(Method)和运行期数据的数据集，当一个方法A被调用时就产生了一个栈帧F1，并被压入到栈中，A方法又调用了B方法，于是产生栈帧F2也被压入栈，执行完毕后，先弹出F2栈帧，再弹出F1栈帧，遵循“先进后出”原则。

那栈帧中到底存在着什么数据呢？栈帧中主要保存3类数据：本地变量（Local Variables），包括输入参数和输出参数以及方法内的变量；栈操作（Operand Stack），记录出栈、入栈的操作；栈帧数据（Frame Data），包括类文件、方法等等。光说比较枯燥，我们画个图来理解一下Java栈，如下图所示：

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图示在一个栈中有两个栈帧，栈帧2是最先被调用的方法，先入栈，然后方法2又调用了方法1，栈帧1处于栈顶的位置，栈帧2处于栈底，执行完毕后，依次弹出栈帧1和栈帧2，线程结束，栈释放。

2、Heap 堆内存
jvm中分为堆和方法区，堆又进一步分为新生代和老年代，方法区为永久代。

新生代
新生代由 Eden 与 Survivor Space（S0，S1）构成，大小通过-Xmn参数指定，Eden 与 Survivor Space 的内存大小比例默认为8:1，可以通过-XX:SurvivorRatio 参数指定，比如新生代为10M 时，Eden分配8M，S0和S1各分配1M。
Eden：希腊语，意思为伊甸园，在圣经中，伊甸园含有乐园的意思，根据《旧约·创世纪》记载，上帝耶和华照自己的形像造了第一个男人亚当，再用亚当的一个肋骨创造了一个女人夏娃，并安置他们住在了伊甸园。
大多数情况下，对象在Eden中分配，当Eden没有足够空间时，会触发一次Minor GC，虚拟机提供了-XX:+PrintGCDetails参数，告诉虚拟机在发生垃圾回收时打印内存回收日志。

Survivor：意思为幸存者，是新生代和老年代的缓冲区域。
当新生代发生GC（Minor GC）时，会将存活的对象移动到S0内存区域，并清空Eden区域，当再次发生Minor GC时，将Eden和S0中存活的对象移动到S1内存区域。
存活对象会反复在S0和S1之间移动，当对象从Eden移动到Survivor或者在Survivor之间移动时，对象的GC年龄自动累加，当GC年龄超过默认阈值15时，会将该对象移动到老年代，可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold 对GC年龄的阈值进行设置。

老年代的空间大小即-Xmx 与-Xmn 两个参数之差，用于存放经过几次Minor GC之后依旧存活的对象。当老年代的空间不足时，会触发Major GC/Full GC，速度一般比Minor GC慢10倍以上。

堆中区分的新生代和老年代是为了垃圾回收，新生代中的对象存活期一般不长，而老年代中的对象存活期较长，所以当垃圾回收器回收内存时，新生代中垃圾回收效果较好，会回收大量的内存，而老年代中回收效果较差，内存回收不会太多。

基于以上特性，新生代中一般采用复制算法，因为存活下来的对象是少数，所需要复制的对象少，而老年代对象存活多，不适合采用复制算法，一般是标记整理和标记清除算法。

因为复制算法需要留出一块单独的内存空间来以备垃圾回收时复制对象使用，所以将新生代分为eden区和两个survivor区，每次使用eden和一个survivor区，另一个survivor作为备用的对象复制内存区。

一个JVM实例只存在一个堆类存，堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后，需要把类、方法、常变量放到堆内存中，以方便执行器执行，堆内存分为三部分：

• Permanent Space 永久存储区
  永久存储区是一个常驻内存区域，用于存放JDK自身所携带的Class,Interface的元数据，也就是说它存储的是运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭JVM才会释放此区域所占用的内存。

• Young Generation Space 新生区
  新生区是类的诞生、成长、消亡的区域，一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。新生区又分为两部分：伊甸区（Eden space）和幸存者区（Survivor pace），所有的类都是在伊甸区被new出来的。幸存区有两个： 0区（Survivor 0 space）和1区（Survivor 1 space）。当伊甸园的空间用完时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收，将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存0区。若幸存0区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到1区。那如果1区也满了呢？再移动到养老区。

• Tenure generation space养老区
  养老区用于保存从新生区筛选出来的JAVA对象，一般池对象都在这个区域活跃。 三个区的示意图如下：

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3、Method Area 方法区
方法区是被所有线程共享，该区域保存所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在此定义。

4、PC Register 程序计数器
每个线程都有一个程序计数器，就是一个指针，指向方法区中的方法字节码，由执行引擎读取下一条指令。

四、JVM垃圾回收

GC (Garbage Collection)的基本原理：将内存中不再被使用的对象进行回收，GC中用于回收的方法称为收集器，由于GC需要消耗一些资源和时间，Java在对对象的生命周期特征进行分析后，按照新生代、旧生代的方式来对对象进行收集，以尽可能的缩短GC对应用造成的暂停
（1）对新生代的对象的收集称为minor GC；
（2）对旧生代的对象的收集称为Full GC；
（3）程序中主动调用System.gc()强制执行的GC为Full GC。

不同的对象引用类型， GC会采用不同的方法进行回收，JVM对象的引用分为了四种类型：
（1）强引用：默认情况下，对象采用的均为强引用（这个对象的实例没有其他对象引用，GC时才会被回收）
（2）软引用：软引用是Java中提供的一种比较适合于缓存场景的应用（只有在内存不够用的情况下才会被GC）
（3）弱引用：在GC时一定会被GC回收
（4）虚引用：由于虚引用只是用来得知对象是否被GC

收集算法

垃圾收集算法主要有：标记-清除、复制和标记-整理。
引用计数法
缺点，循环引用会造成引用计数不为0，GC无法回收他们。

可达性分析算法
GC Roots里没有对象的引用，他被判定为可回收的对象。

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1、标记-清除算法
对待回收的对象进行标记。
算法缺点：效率问题，标记和清除过程效率都很低；空间问题，收集之后会产生大量的内存碎片，不利于大对象的分配。

2、复制算法
复制算法将可用内存划分成大小相等的两块A和B，每次只使用其中一块，当A的内存用完了，就把存活的对象复制到B，并清空A的内存，不仅提高了标记的效率，因为只需要标记存活的对象，同时也避免了内存碎片的问题，代价是可用内存缩小为原来的一半。

3、标记-整理算法
在老年代中，对象存活率较高，复制算法的效率很低。在标记-整理算法中，标记出所有存活的对象，并移动到一端，然后直接清理边界以外的内存。

如何判断对象是否存活

GC动作发生之前，需要确定堆内存中哪些对象是存活的，一般有两种方法：引用计数法和可达性分析法。
1、引用计数法
在对象上添加一个引用计数器，每当有一个对象引用它时，计数器加1，当使用完该对象时，计数器减1，计数器值为0的对象表示不可能再被使用。
引用计数法实现简单，判定高效，但不能解决对象之间相互引用的问题。

2、可达性分析法
通过一系列称为 “GC Roots” 的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索路径称为 “引用链”，以下对象可作为GC Roots：

本地变量表中引用的对象
方法区中静态变量引用的对象
方法区中常量引用的对象
Native方法引用的对象
当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链时，意味着该对象可以被回收。

在可达性分析法中，判定一个对象objA是否可回收，至少要经历两次标记过程：

1、如果对象objA到 GC Roots没有引用链，则进行第一次标记。
2、如果对象objA重写了finalize()方法，且还未执行过，那么objA会被插入到F-Queue队列中，由一个虚拟机自动创建的、低优先级的Finalizer线程触发其finalize()方法。finalize()方法是对象逃脱死亡的最后机会，GC会对队列中的对象进行第二次标记，如果objA在finalize()方法中与引用链上的任何一个对象建立联系，那么在第二次标记时，objA会被移出“即将回收”集合。

JVM相关问题

问：堆和栈有什么区别
答：堆是存放对象的，但是对象内的临时变量是存在栈内存中
栈是跟随线程的，有线程就有栈，堆是跟随JVM的，有JVM就有堆内存。

问：堆内存中到底存在着什么东西？
答：对象，包括对象变量以及对象方法。

问：类变量和实例变量有什么区别？
答：静态变量是类变量，非静态变量是实例变量，直白的说，有static修饰的变量是静态变量，没有static修饰的变量是实例变量。静态变量存在方法区中，实例变量存在堆内存中。

方法区用于存放class的相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将抛出StackOverflowError异常。
如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。