JVM-整体结构原理深度解析

JVM定义

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。
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。

2 Java跨平台与JVM的联系
JVM是一个软件，在不同的平台上，JVM有不同的版本。
Java在编译之后会生成一种.class文件，这种文件称为字节码文件。
JVM虚拟机就是将Java编译后的.class文件翻译成特定平台下的机器码，然后运行。也就是说，在不同平台上装上平台对应的JVM虚拟机后，就可以将Java字节码文件转换，然后运行我们的Java程序。
值得注意的是，Java编译后的结果是生成字节码，而不是机器码。字节码是不可以直接运行的，必须通过JVM再次翻译成机器码才可以运行。即使是将Java程序打包成可执行文件，也仍然需要JVM的支持才可以运行。跨平台的是Java程序，而不是JVM。
JVM是用C/C++开发的，不能平台，不同的平台下JVM的版本是不同的。
（备注：机器码(machine code)，学名机器语言指令，有时也被称为原生码（Native Code），是电脑的CPU可直接解读的数据。）

JVM体系结构概述

JVM启动后，对操作系统来说，JVM是一个的进程，这个进程基本结构包括内容如下

类装载器（ClassLoader）

负责加载class文件，class文件在文件开头有特定的文件标示，并且ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定

执行引擎（Execution Engine）

执行引擎负责解释命令，提交操作系统执行。

本地接口（Native Interface）

Java语言本身不能对操作系统底层进行访问和操作，但是可以通过JNI接口调用其他语言来实现对底层的访问。主要是调用c或c++实现的本地接口

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 libraries。

目前该方法使用的越来越少了，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WebService等等，不多做介绍。

运行时数据区（Runtime Data Area）

执行引擎执行过程中产生的数据会存储在一块内存区域。这块内存区域就是运行时数据区。

JVM内存区域

从图中可以看出jvm的内存区域可以按照线程共享【堆、方法区】和线程私有【虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器】进行划分。
下面示例 -》对应的原理结构图

线程私有

Java虚拟机栈

描述：

线程执行了一个方法，就会对这个方法调用创建对应的一个栈帧
栈帧中存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口（方法的返回地址）等信息。
- 局部变量表
  - 用于存储方法参数和方法内部定义的局部变量。
- 操作数栈
  - 可以理解为PC寄存器：用于作为计算过程的临时数据存储区。
    - 临时数据指的变量对应的具体值 eg：int a=1; 对应的是1这个值
  - CPU执行load命令时能将数据加载到操作数栈。
- 动态链接：是在程序运行期间完成的将符号引用替换为直接引用
- 方法返回地址
  - 方法退出之后都需要返回方法被调用的位置。
    特点：
栈的生命周期（线程生命周期一致）
不存在垃圾回收的问题
可能的异常信息（ java.lang.StackOverflowError）

本地方法栈

跟Java虚拟机栈类似的，也是存放各种native方法的局部变量表之类的信息。

程序计数器

描述：

每个线程都有一个程序计数器
用来记录当前执行的字节码指令的位置的（行到了哪一条字节码指令）

线程共享

方法区 -》永久代（Meta Space）｜元数据空间

描述：

JVM规范层面的东西
jdk1.7 叫做方法区（永久带permGenspace）；JDK 1.8 + 叫做方法区（ "Metaspace"（元数据空间））
永久带或metaspace是对方法区的不同实现，是实现层面的东西。
功能：
存储被jvm加载的类的结构信息、常量、静态变量、编译器编译后的代码等
类结构信息：类的名称、方法、字段等信息。
class文件会被Java虚拟机加载到哪个位置存储-chatgpt
在传统的Java虚拟机中，.class文件在加载时会被存储在永久代（Permanent Generation）中。永久代是Java虚拟机的一部分，用于存储类的元数据信息，包括类的结构、方法、字段等信息。这意味着在传统的Java虚拟机中，加载的类信息（包括字节码）将占用永久代的空间。

然而，从Java 8开始，永久代被移除，取而代之的是元空间（Metaspace）。在元空间中，类的元数据信息将被动态地分配和管理内存，而不再受到永久代的限制。因此，.class文件的内容会被加载到元空间中。

总体而言，具体的存储位置取决于Java虚拟机的实现版本，而在现代的Java虚拟机中，元空间是类元数据信息的存储区域。

Java堆

描述：
Java进程启动时内存分配： 当通过Java命令启动Java进程时，Java虚拟机会分配一块内存，这块内存包括了不同的区域，如堆空间、方法区（在Java 8之前，现在是元空间）、虚拟机栈、本地方法栈等。
内存的一部分用于创建堆空间，当程序中创建对象的时候，就从堆空间中分配内存。 (扩展：GC 是 JVM 内部的一个进程，回收无效对象的内存用于将来的分配 )
存储实例对象（所有的实例对象以及数组都要在堆上进行分配），
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域因此很多时候也被称为 "GC堆"。
示例：
可以认为局部变量表里的"replicaManager"指向了Java堆内存里的ReplicaManager对象

4.3 完整流程

JVM内存参数设置

Spring Boot程序的JVM参数设置格式(Tomcat启动直接加在bin目录下catalina.sh文件里)：
java ‐Xms2048M ‐Xmx2048M ‐Xmn1024M ‐Xss512K ‐XX:MetaspaceSize=256M ‐XX:MaxMetaspaceSize=256M ‐jar microservice‐eurek a‐server.jar
关于元空间的JVM参数有两个：

-XX:MetaspaceSize=N和 -XX:MaxMetaspaceSize=N
-XX：MaxMetaspaceSize：设置元空间最大值，默认是-1，即不限制，或者说只受限于本地内存大小。
-XX：MetaspaceSize：指定元空间触发Fullgc的初始阈值(元空间无固定初始大小)，以字节为单位，默认是21M，达到该值就会触发 full gc进行类型卸载，同时收集器会对该值进行调整：（动态调整）
- 如果释放了大量的空间，就适当降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过-XX：MaxMetaspaceSize（如果设置了的话）的情况下，适当提高该值。这个跟早期jdk版本的-XX:PermSize参数意思不一样，- XX:PermSize代表永久代的初始容量。
由于调整元空间的大小需要Full GC，这是非常昂贵的操作，如果应用在启动的时候发生大量Full GC，通常都是由于永久代或元空间发生了大小调整，基于这种情况，
一般建议在JVM参数中将MetaspaceSize和MaxMetaspaceSize设置成一样的值，并设置得比初始值要大，对于8G物理内存的机器来说，一般我会将这两个值都设置为256M。