JVM（java虚拟机）

文章目录

[JVM------Java虚拟机（Java Virtual Machine）](#JVM——Java虚拟机（Java Virtual Machine）)
- 类的生命周期
- [JMM------JVM内存模型（Java Memory Modle）](#JMM——JVM内存模型（Java Memory Modle）)
- - volatile和线程安全
- JVM运行时的内存区域

JVM------Java虚拟机（Java Virtual Machine）

名称	全称	作用
JDK	Java Development Kit	Java 开发工具包，包含编译器（javac）、打包工具（jar）、调试工具（jdb）、JRE 等。是开发和运行 Java 程序的完整环境。
JRE	Java Runtime Environment	Java 运行环境，包含 JVM + Java 核心类库，让程序可以运行。
JVM	Java Virtual Machine	Java 虚拟机，真正负责执行 .class 字节码，并将它翻译为对应操作系统的机器指令。它在不同系统上有不同实现，从而屏蔽了底层操作系统的差异。

Java 的 一次编写，到处运行 特性：不同操作系统如 Windows、mac、Linux 对应不同的 JDK 版本，以支持同一份代码编译文件（.class文件）在各种系统中都能运行。实际上，这种跨平台能力主要依靠的是 JDK 中的 JVM（Java 虚拟机） ------它负责在各自的操作系统上，把与平台无关的字节码文件（.class）翻译成该系统能理解的机器指令。

类的生命周期

加载------>连接------>初始化------>使用------>卸载

加载：查找并加载二进制类的二进制数据（.class文件），即将硬盘上的二进制文件加载到jvm内存中。
连接：确定类与类之间的关系。
- 验证：.class 正确性校验。
- 准备：static静态变量分配内存并设置默认初始值（零值变量类型的默认值），不执行显式初始。化。这一阶段，jvm中只有类，没有对象。
- 解析：将符号引用转换为直接引用，例如把类名、方法名解析为内存地址。如将符号引用com:yanqun.poio:student映射成实际的内存地址，内存地址的引用就是直接引用。
初始化：给静态变量赋真实的初始值。
使用：对象的初始化、对象的垃圾回收、对象的销毁。
卸载：当类对应的 ClassLoader 被垃圾回收且该类的所有实例已经被回收，类卸载是 JVM 的可选行为，标准 JVM 并不强制卸载类。

jvm结束生命周期的时机：

正常结束
异常结束/错误
System.exit()
操作系统异常

JMM------JVM内存模型（Java Memory Modle）

用于定义变量（所有线程的共享变量，不能是局部变量）的访问规则。

JMM将内存分为两个区：

主内存区：存放真实的变量。
工作内存区：主内存中变量的副本，供各个线程使用。

注：

各个线程只能访问自己私有的工作内存（不能访问其他线程的工作内存，也不能访问主内存）。
不同线程之间，可以通过主内存间接的访问其他线程的工作内存。
- save：工作内存------>主内存
- load：主内存------>工作内存

线程之间交互数据的步骤：

Lock（锁定）：将主内存中的变量标记为某个线程独占，防止其他线程同时修改。
Read（读取）：从主内存读取变量值到线程的工作内存（Working Memory）。
Load（载入）：将 Read 读取到的值放入工作内存中的变量副本（local copy）。
Use（使用）：将工作内存中的变量副本传递给执行引擎（CPU）使用。
Assign（赋值）：将执行引擎得到的值赋给工作内存中的变量副本。
Store（存储）：将工作内存中的变量副本写回到主内存，但可能还没生效到最终主内存位置。
Write（写入）：将 Store 的值正式写入主内存，使其他线程可见。
Unlock（解锁）：解除 Lock，释放主内存变量的独占状态。

JVM要求以上8个动作必须是原子性的

(早期java 1.5之前对于64位的数据类型（long double）有些是非原子性协议，这样就可能出现半读/半写的情况。避免方式：可以通过关键字volatile解决。）

volatile和线程安全

【在早期的 Java 版本（1.5 之前），volatile 被用于防止 long 和 double 等 64 位数据类型的非原子性读写问题（即"半读/半写"现象）】

volatile 是 JVM 提供的一种轻量级同步机制，用于

保证多线程环境下变量的可见性
- 对该变量的写操作会立即刷新到主内存；
- 对该变量的读操作会从主内存中重新读取最新值；

禁止指令重排序：通过内存屏障来实现的

重排序：编译器或 CPU 为了提高执行效率，在不改变单线程程序最终结果的前提下，调整原子性指令执行顺序的行为。
volatile 保证在读写该变量时，程序指令的执行顺序不会被编译器或 CPU 重新排列，
从而避免多线程下由于指令乱序导致的可见性和安全性问题。

简单示例

java 复制代码

int a = 0;
boolean flag = false;

// 线程1
a = 1;           // ①
flag = true;     // ②

// 线程2
if (flag) {      // ③
    System.out.println(a); // ④
}

结果：线程2打印结果为'0'与期望的'1'不同
原因：指令重排序了，先执行了'flag = true;',线程2识别到后立刻打印a的值'0'，然后再执行'a = 1; '
解决方法：'volatile boolean flag = false;'，禁止指令重排序：保证 a = 1 一定发生在 flag = true 之前。

双重检查式的懒汉式单例模式

java 复制代码

class Singleton {
    private static Singleton instance;

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {            // 1. 第一次检查
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {    // 2. 第二次检查
                    instance = new Singleton(); // 3. 创建对象
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}


instance = new Singleton();不是一个原子操作，它会被编译为三步指令：
1分配内存地址
2调用构造方法初始化对象
3将引用赋值给 instance

而由于 指令重排序，可能会变成：
1分配内存地址
3将引用赋值给 instance
2调用构造方法初始化对象
这就意味着另一个线程可能在步骤2还没执行完时看到 instance 已经不为 null，从而拿到了一个"未初始化完成的对象"。
解决方案：禁止重排序--'private static volatile Singleton instance;'

volatile无法保证原子性和线程安全。

要想保证原子性/线程安全，可以使用原子包java.util.concurrent.atomic中的类（如 AtomicInteger, AtomicLong 等），该类能够保证原子性的核心是因为提供了compareAndSet()方法，该方法提供了cas算法（无锁算法，svn/git都使用的这个算法）

JVM运行时的内存区域

将JVM在运行时的内存，划分为了五个部分：

程序计数器（PC Register）：存储当前线程正在执行的字节码地址，即下一条要执行的指令位置；如果是 native 方法（调用操作系统的底层 API），则值为空；是唯一不会产生内存溢出的区域。
Java 虚拟机栈（JVM Stack）：每个方法被调用时，JVM 会创建一个栈帧（Frame），用于存储：
- 局部变量表（Local Variables）
- 操作数栈（Operand Stack）
- 方法返回地址
本地方法栈（Native Method Stack）：为 JVM 调用本地（native）方法提供栈空间。
堆（Heap）：
- 存放对象实例和数组。
- 是虚拟机区域中最大的一块。
- 是JVM 的垃圾回收器（GC）主要管理的区域。
- 随着 JVM 启动而创建，JVM 关闭而销毁。
- 堆的逻辑划分：新生代:老年代 = 1:2。
  - 年轻代（Young Generation）
    - 存放新创建的对象。
    - 年轻代包含 eden，s0，s1，eden:s0:s1=8:1:1。
    - 年轻代的使用率一般在90%，在使用时，只能使用一个eden和一个s区间。
    - 当对象"熬过"几次 GC 后，会被晋升到老年代。
  - 老年代（Old Generation）
    - 存放生命周期较长的对象（比如单例、缓存对象）。
    - 垃圾回收频率较低，但每次回收代价较高。
方法区（Method Area）：存放
- 类的元数据（类名、父类、接口信息等）
- 字段、方法数据
- 字节码（Method 字节码）
- 运行时常量池（Runtime Constant Pool）
- 静态变量（static）
- 即时编译器（JIT）编译后的代码缓存等