JAVA虚拟机(JVM)学习

入门

什么是JVM

JVM：Java Virtual Machine，Java虚拟机。

JVM是JRE(Java Runtime Environment)的一部分，安装了JRE就相当于安装了JVM，就可以运行Java程序了。JVM的作用：加载并执行Java字节码（.class）文件。

常见的JVM

Java虚拟机要实现Java虚拟机规范，它定义了Java虚拟机的结构、指令集、类文件格式、类加载器、字节码执行引擎等方面的内容。

JVM结构

执行引擎Execution Engine

JVM执行引擎通常由两个主要组成部分构成：解释器和即时编译器（Just-In-Time Compiler，JIT Compiler）。

解释器：当Java字节码被加载到内存中时，解释器逐条解析并直接执行字节码指令。

即时编译器（JIT Compiler）：即时编译器将字节码动态地编译为本地机器码，之后再执行。即时编译器根据运行时的性能数据和优化技术，对经常执行的热点代码进行优化，从而提高程序的性能。即时编译器可以将经过优化的代码缓存起来，以便下次再次执行时直接使用。

本地方法接口Native Interface

本地接口的作用是融合不同的编程语言为 Java 所用。当Java代码调用本地方法 （被native所修饰的方法）时，JVM会将控制权转移到本地方法实现所在的本地库 。本地库 是一个包含本地方法实现的动态链接库（DLL - windows函数库）或共享对象文件（SO - Linux函数库）。它是使用其他编程语言编写的，通常是为了与底层操作系统或硬件进行交互。本地库可以通过JNI加载到JVM中，并提供给Java代码调用。

例如Thread类中有一些标记为native的方法操作底层操作系统线程

本地方法栈Native Method Stack

本地方法栈（Native Method Stack）：本地方法栈存储了从Java代码中调用本地方法时所需的信息。是线程私有 的。

本地方法栈是JVM专门为调用非Java语言方法而设计的，它与操作系统和硬件交互，通过JNI为Java程序提供更强大的功能。每个线程都有自己的本地方法栈，保证本地方法的调用是独立且线程安全的。

PC寄存器(程序计数器PC Register)

PC寄存器（程序计数器，Program Counter Register）是JVM中线程私有 的一块小内存区域。用于记录当前线程 正在执行的字节码指令的地址或行号。它类似于一个指针，指向线程正在执行的字节码指令的下一条指令。

类加载器ClassLoader

类加载器（ClassLoader）是JVM的一个关键组件，用于动态加载、链接和初始化Java类。它的主要职责是在程序运行时将类的字节码加载到JVM中，以便JVM可以执行这些类。类加载器是一个负责加载类的对象，用于实现类加载过程中的加载这一步。每个 Java 类都有一个引用指向加载它的 ClassLoader。数组类不是通过 ClassLoader 创建的（数组类没有对应的二进制字节流），是由 JVM 直接生成的。

如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，即双亲委派模型

虚拟机栈stack

栈也叫栈内存，主管Java程序的运行，是在线程创建时创建，每个线程都有自己的栈，它的生命周期是跟随线程的生命周期，线程结束栈内存也就释放，是线程私有 的。线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧（Stack Frame）。

JVM对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈，遵循"先进后出"或者"后进先出"原则。

一个线程中只能由一个正在执行的方法（当前方法），因此对应只会有一个活动的当前栈帧。

栈溢出(StackOverflowError)：通常在递归调用

栈帧

栈帧是一个内存区块，是一个数据集，包含方法执行过程中的各种数据信息。

局部变量表（Local Variables）

也叫本地变量表。存储方法参数和方法体内的局部变量：8种基本类型变量、对象引用（reference）。

操作数栈（Operand Stack）

作用：也是一个栈，在方法执行过程中根据字节码指令记录当前操作的数据，将它们入栈或出栈。用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量的临时存储空间。

java 复制代码

public class OperandStackDemo {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 15;
        int j = 8;
        int k = i + j;
    }
}

动态链接（Dynamic Linking）

作用：可以知道当前帧执行的是哪个方法。指向运行时常量池中方法的符号引用。程序真正执行时，类加载到内存中后，符号引用会换成直接引用。

方法返回地址（Return Address）

可以知道调用完当前方法后，上一层方法接着做什么，即"return"到什么位置去。存储当前方法调用完毕后下一条指令的地址

完整一个线程内存结构

java -Xss 可以设置栈大小

方法区Method Area

被所有线程共享，它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等

堆heap

堆是线程共享的

堆、栈、方法区的关系

HotSpot是使用指针的方式来访问对象：

堆内存用于存放对象和数组
堆中会存放指向对象类型数据的地址
栈中会存放指向堆中的对象的地址

堆空间

一个Java程序运行起来对应一个进程，一个进程对应一个JVM实例，一个JVM实例中有一个运行时数据区。

在 Java 虚拟机（JVM）中，堆空间是管理 Java 对象的内存区域。堆空间的主要作用是动态分配和管理 Java 对象的内存，在JVM启动的时候被创建，并且一个JVM实例只存在一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的。

堆空间划分

堆内存逻辑上分为三部分：

Young Generation Space 新生代/年轻代 Young/New
Tenured generation space 老年代/养老代 Old/Tenured
Permanent Space/Meta Space 永久代/元空间 Permanent/Meta

新生代又划分为：

伊甸园区（Eden space）
和幸存者区（Survivor space）。
幸存者区有两个：
S0区（Survivor 0 space）
S1区（Survivor 1 space）

堆内存内部空间所占比例：

新生代与老年代的默认比例： 1:2
伊甸园区与幸存者区的默认比例是：8:1:1

配置堆大小

-Xms600m -Xmx600m -Xmn200m

Xms表示堆的起始内存，等价于-XX:InitialHeapSize，默认是物理电脑内存的1/64。
Xmx表示堆的最大内存，等价于-XX:MaxHeapSize，默认是物理电脑内存的1/4。

通常会将-Xms和-Xmx配置相同的值，目的是为了在Java垃圾回收机制清理完堆区后，不需要重新分隔计算堆区的大小，从而提高性能。

JDK1.8及之后堆空间

堆空间工作流程

学不明白的了解即可

垃圾回收GC

在C/C++这类没有自动垃圾回收机制的语言中，一个对象如果不再使用，需要手动释放，Java中为了简化对象的释放，引入了自动的垃圾回收（Garbage Collection简称GC）机制。通过垃圾回收器来对不再使用的对象完成自动的回收，垃圾回收器主要负责对堆上的内存进行回收。其他很多现代语言比如C#、Python、Go都拥有自己的垃圾回收器

线程不共享的部分，都是伴随着线程的创建而创建，线程的销毁而销毁。因此线程不共享的程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈中没有垃圾回收。

方法区的垃圾回收

方法区中能回收的内容主要就是不再使用的类。判定一个类可以被卸载。需要同时满足下面三个条件：

1、此类所有实例对象没有在任何地方被引用，在堆中不存在任何该类的实例对象以及子类对象。

2、该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用。

3、加载该类的类加载器没有在任何地方被引用。

堆的垃圾回收

Java堆中的对象是否能被回收，是根据对象是否被引用来决定的。如果对象被引用了，说明该对象还在使用，不允许被回收。

垃圾判断

判断堆上的对象是否被引用方法：引用计数法（已摒弃）和可达性分析法。

可达分析法

将一系列GC Root的集合作为起始点，按照从上至下的方式搜索所有能够被该合集引用到的对象（是否可达），并将其加入到该和集中，这个过程称之为标记（mark），被标记的对象是存活对象。最终，未被探索到的对象便是死亡的，可以回收的。

垃圾回收算法

当成功区分出内存中存活对象和死亡对象后，GC接下来的任务就是执行垃圾回收。有以下算法：

标记-清除算法（Mark-Sweep）

复制算法（Copying）

标记压缩算法（Mark-Compact）

分代收集算法（Generational-Collection）

垃圾收集器

如果说收集算法是内存回收的方法论，垃圾收集器就是内存回收的具体实现

七款经典垃圾收集器：

算法和收集器了解即可