JVM

JVM

• Java Virtual Machine【Java虚拟机】
• 完成我们想要的操作
  1、识别.class后缀的文件
  2、解析它的指令
  3、调用操作系统上的函数

翻译

• 使用javac编译成.class 文件，
• 使用Java命令去主动执行它
  操作系统并不认识这些.class 文件。所以JVM 就是一个翻译。

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跨平台

• 写一个类 Person这个类，在不同的操作系统上（Linux、Windows、MacOS等平台）执行，效果是一样。
• JDK 不同平台版本：https://www.oracle.com/java/technologies/javase/javase-jdk8-downloads.html

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跨语言

• JVM只识别字节码，所以JVM其实跟语言是解耦的【没有直接关联】
• 并不是它翻译Java 文件，而是识别class文件，这个一般称之为字节码。
• 还有像 Groovy 、Kotlin、 ruby等等语言，它们其实也是编译成字节码，所以也可以在JVM上面跑，这个就是JVM的跨语言特征。

JVM、JDK、JRE

JRE

JVM只是一个翻译，把 Class翻译成机器识别的代码，但是需要注意，JVM不会自己生成代码，需要大家编写代码，同时需要很多依赖类库，这个时候就需要用到JRE。

• 它除了包含JVM之外，提供了很多的类库（就是我们说的jar包，它可以提供一些即插即用的功能，比如读取或者操作文件，连接网络，使用1/O等等之类的）这些东西就是JRE提供的基础类库。
• JVM标准加上实现的一大堆基础类库，就组成了Java的运行时环境，也就是我们常说的JRE （Java Runtime Environment）。

JDK

• 但对于程序员来说，JRE还不够。我写完要编译代码，还需要调试代码，还需要打包代码、有时候还需要反编译代码。所以我们会使用JDK，因为JDK还提供了一些非常好用的小工具，比如 javac（编译代码）、java、jar（打包代码）、javap （反编译《反汇编》）等。这个就是JDK。

• 具体可以文档可以通过官网去下载
  https://www.oracle.com/java/technologies/javase-jdk8-doc-downloads.html

JVM整个流程：

一个 Java 程序，首先经过 javac 编译成 .class 文件，然后 JVM 将其加载到方法区，执行引擎将会执行这些字节码。执行时，会翻译成操作系统相关的函数。JVM 作为 .class 文件的翻译存在，输入字节码，调用操作系统函数。

• 过程如下：
  Java 文件->编译器>字节码->JVM->机器码。

我们所说的 JVM，狭义上指的就 HotSpot（因为JVM有很多版本，但是使用最多的是HotSpot）。如非特殊说明，我们都以 HotSpot 为准。Java 之所以成为跨平台，就是由于 JVM 的存在。Java 的字节码，是沟通 Java 语言与 JVM 的桥梁，同时也是沟通 JVM 与操作系统的桥梁。

运行时数据区域

• Java 引以为豪的就是它的自动内存管理机制。
• 相比于 C++的手动内存管理、复杂难以理解的指针等，Java 程序写起来就方便的多。

JVM的划分

• 堆
• 程序计数器
• 方法区
• 虚拟机栈
• 本地方法栈。

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程序计数器

• 较小的内存空间
• 当前线程执行的字节码的行号指示器；
• 各线程之间独立存储，互不影响。

1、程序计数器是一块很小的内存空间，主要用来记录各个线程执行的字节码的地址，例如，分支、循环、跳转、异常、线程恢复等都依赖于计数器。

2、由于 Java是多线程语言，当执行的线程数量超过 CPU 核数时，线程之间会根据时间片轮询争夺 CPU 资源。

如果一个线程的时间片用完了，或者是其它原因导致这个线程的 CPU 资源被提前抢夺，那么这个退出的线程就需要单独的一个程序计数器，来记录下一条运行的指令。

3、程序计数器也是JVM中唯一不会OOM(OutOfMemory)的内存区域；

虚拟机栈

• 栈的数据结构
  先进后出(FILO)

虚拟机栈

• 虚拟机栈在JVM运行过程中存储当前线程运行方法所需的数据，指令、返回地址。【 Java 虚拟机栈是基于线程的】

哪怕你只有一个 main() 方法，也是以线程的方式运行的。
在线程的生命周期中，参与计算的数据会频繁地入栈和出栈，栈的生命周期是和线程一样的。

栈帧

• 栈里的每条数据，就是栈帧。

在每个 Java 方法被调用的时候，都会创建一个栈帧，并入栈。

一旦完成相应的调用，则出栈。

所有的栈帧都出栈后，线程也就结束了。

每个栈帧包含四个区域

• 局部变量表：

顾名思义就是局部变量的表，用于存放我们的局部变量。

首先它是一个32位的长度，主要存放我们的Java的八大基础数据类型，一般32位就可以存放下，

如果是64位的就使用高低位占用两个也可以存放下，

如果是局部的一些对象，比如我们的Object对象，我们只需要存放它的一个引用地址即可。

• 操作数栈

存放我们方法执行的操作数的，它就是一个栈，先进后出的栈结构，

操作数栈，就是用来操作的，操作的的元素可以是任意的java数据类型，

所以我们知道一个方法刚刚开始的时候，这个方法的操作数栈就是空的，

操作数栈运行方法就是JVM一直运行入栈/出栈的操作

• 动态连接

Java语言特性多态（需要类运行时才能确定具体的方法）。

• 返回地址

正常返回（调用程序计数器中的地址作为返回）、异常的话（通过异常处理器表<非栈帧中的>来确定）

栈的大小缺省为1M，可用参数 –Xss调整大小，例如-Xss256k

栈帧执行对内存区域的影响

https://cloud.tencent.com/developer/article/1333540

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在JVM中，基于解释执行的这种方式是基于栈的引擎，这个说的栈，就是操作数栈。

本地方法栈

本地方法栈跟 Java 虚拟机栈的功能类似，Java 虚拟机栈用于管理 Java 函数的调用，而本地方法栈则用于管理本地方法的调用。

但本地方法并不是用 Java 实现的，而是由 C 语言实现的。

本地方法栈是和虚拟机栈非常相似的一个区域，它服务的对象是 native 方法。你甚至可以认为虚拟机栈和本地方法栈是同一个区域。 虚拟机规范无强制规定，各版本虚拟机自由实现 ，HotSpot直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一 。

线程共享的区域

方法区/永久代 很多开发者都习惯将方法区称为“永久代”，其实这两者并不是等价的。

HotSpot 虚拟机使用永久代来实现方法区，但在其它虚拟机中，例如，Oracle 的 JRockit、IBM 的 J9 就不存在永久代一说。

因此，方法区只是 JVM 中规范的一部分，可以说，在 HotSpot 虚拟机中，设计人员使用了永久代来实现了 JVM 规范的方法区。

方法区主要是用来存放已被虚拟机加载的类相关信息，包括类信息、静态变量、常量、运行时常量池、字符串常量池。

JVM 在执行某个类的时候，必须先加载。

在加载类（加载、验证、准备、解析、初始化）的时候，JVM 会先加载 class 文件，而在 class 文件中除了有类的版本、字段、方法和接口等描述信息外，还有一项信息是常量池 (Constant Pool Table)，用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用。

字面量包括字符串（String a=“b”）、
基本类型的常量（final 修饰的变量），
符号引用则包括类和方法的全限定名（例如 String 这个类，它的全限定名就是 Java/lang/String）、
字段的名称和描述符以及方法的名称和描述符。

而当类加载到内存中后，JVM 就会将 class 文件常量池中的内容存放到运行时的常量池中；在解析阶段，JVM 会把符号引用替换为直接引用（对象的索引值）。 例如，类中的一个字符串常量在 class 文件中时，存放在 class 文件常量池中的；在 JVM 加载完类之后，JVM 会将这个字符串常量放到运行时常量池中，并在解析阶段，指定该字符串对象的索引值。运行时常量池是全局共享的，多个类共用一个运行时常量池，class 文件中常量池多个相同的字符串在运行时常量池只会存在一份。

方法区与堆空间类似，也是一个共享内存区，所以方法区是线程共享的。

假如两个线程都试图访问方法区中的同一个类信息，而这个类还没有装入 JVM，那么此时就只允许一个线程去加载它，另一个线程必须等待。

在 HotSpot 虚拟机、Java7 版本中已经将永久代的静态变量和运行时常量池转移到了堆中，其余部分则存储在 JVM 的非堆内存中，而 Java8 版本已经将方法区中实现的永久代去掉了，并用元空间（class metadata）代替了之前的永久代，并且元空间的存储位置是本地

• jdk1.7及以前（初始和最大值）：-XX:PermSize；-XX:MaxPermSize；
• jdk1.8以后（初始和最大值）：-XX:MetaspaceSize； -XX:MaxMetaspaceSize

jdk1.8以后大小就只受本机总内存的限制（如果不设置参数的话）

• jvm 参数
  https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

Java8 为什么使用元空间替代永久代，这样做有什么好处呢？

官方给出的解释是： 移除永久代是为了融合 HotSpot JVM 与 JRockit VM 而做出的努力，因为 JRockit 没有永久代，所以不需要配置永久代。 永久代内存经常不够用或发生内存溢出，抛出异常 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen。

这是因为在 JDK1.7 版本中，指定的 PermGen 区大小为 8M，由于 PermGen 中类的元数据信息在每次 FullGC 的时候都可能被收集，回收率都偏低，成绩很难令人满意；还有，为 PermGen 分配多大的空间很难确定，PermSize 的大小依赖于很多因素，比如，JVM 加载的 class 总数、常量池的大小和方法的大小等。

堆

堆是 JVM 上最大的内存区域，我们申请的几乎所有的对象，都是在这里存储的。
我们常说的垃圾回收，操作的对象就是堆。

堆空间一般是程序启动时，就申请了，但是并不一定会全部使用。

随着对象的频繁创建，堆空间占用的越来越多，就需要不定期的对不再使用的对象进行回收。这个在 Java 中，就叫作 GC（Garbage Collection）。

那一个对象创建的时候，到底是在堆上分配，还是在栈上分配呢？这和两个方面有关：对象的类型和在 Java 类中存在的位置。 Java 的对象可以分为基本数据类型和普通对象。 对于普通对象来说，JVM 会首先在堆上创建对象，然后在其他地方使用的其实是它的引用。比如，把这个引用保存在虚拟机栈的局部变量表中。

对于基本数据类型来说（byte、short、int、long、float、double、char)，有两种情况。

当你在方法体内声明了基本数据类型的对象，它就会在栈上直接分配。其他情况，都是在堆上分配。

堆大小参数： -Xms：
堆的最小值； -Xmx：
堆的最大值； -Xmn：
新生代的大小； -XX:NewSize；
新生代最小值； -XX:MaxNewSize：
新生代最大值； 例如- Xmx256m

直接内存

不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是java虚拟机规范中定义的内存区域；如果使用了NIO,这块区域会被频繁使用，在java堆内可以用directByteBuffer对象直接引用并操作；

这块内存不受java堆大小限制，但受本机总内存的限制，可以通过-XX:MaxDirectMemorySize来设置（默认与堆内存最大值一样），所以也会出现OOM异常。