JVM学习笔记-基本概念及内存区域

拼搏现实的明天。 2022-11-16 13:56 209阅读 0赞

## 一、JVM体系结构描述 ##

**1.1、基本概念：**  
JVM是可运行Java代码的假想计算机 ，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是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。

**1.2、运行过程：**  
我们都知道Java源文件，通过编译器，能够生产相应的.Class文件，也就是字节码文件，而字节码文件又通过Java虚拟机中的解释器，编译成特定机器上的机器码 。

> ① Java源文件—->编译器—->字节码文件  
> ② 字节码文件—->JVM—->机器码  
> 每一种平台的解释器是不同的，但是实现的虚拟机是相同的，这也就是Java为什么能够跨平台的原因了 ，当一个程序从开始运行，这时虚拟机就开始实例化了，多个程序启动就会存在多个虚拟机实例。程序退出或者关闭，则虚拟机实例消亡，多个虚拟机实例之间数据不能共享。

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## 二、JVM的运行原理 ##

**1、Java源文件—->编译器—->字节码文件（类加载器加载）—->JVM—->机器码**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzk4MTMxNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
**2、类加载器（ClassLoader）**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzk4MTMxNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

> 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负责class文件的加载成Class对象（其实是一个模板）等，至于它是否可以运行，则由Execution Engine（执行引擎）决定。
> 
> 四种类加载器：虚拟机自带加载器，启动（根）类加载器，扩展类加载器，应用程序（系统）类加载器

**（1）JVM中提供了三层的ClassLoader：**

> Bootstrap classLoader:主要负责加载核心的类库(java.lang.\*等)，构造ExtClassLoader和APPClassLoader。  
> ExtClassLoader：主要负责加载jre/lib/ext目录下的一些扩展的jar。  
> AppClassLoader：主要负责加载应用程序的主函数类

**（2）双亲委派机制**

> 双亲委派机制：加载类时，先往上层加载器（知道根加载器）走，如果上层加载器找到对应类，就直接加载，如果不能就传给下层。保证java系统定义类的安全.  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzk4MTMxNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
> 目的：如果有人想替换系统级别的类：String.java。篡改它的实现，在这种机制下这些系统的类已经被Bootstrap classLoader加载过了（为什么？因为当一个类需要加载的时候，最先去尝试加载的就是BootstrapClassLoader），所以其他类加载器并没有机会再去加载，从一定程度上防止了危险代码的植入。

**（3）沙箱安全机制**

> **概念：** 沙箱机制就是将 Java 代码限定在虚拟机(JVM)特定的运行范围中，并且严格限制代码对本地系统资源访问，通过这样的措施来保证对代码的有效隔离，防止对本地系统造成破坏。沙箱主要限制系统资源访问，那系统资源包括什么？——CPU、内存、文件系统、网络。不同级别的沙箱对这些资源访问的限制也可以不一样。  
> 在Java中将执行程序分成本地代码和远程代码两种,本地代码默认视为可信任的，而远程代码则被看作是不受信的。对于授信的本地代码，可以访问一切本地资源。而对于非授信的远程代码在早期的Java实现中，安全依赖于沙箱(Sandbox)机制。  
> **原因：** 我们都知道，程序员编写一个Java程序，默认的情况下可以访问该机器的任意资源，比如读取，删除一些文件或者网络操作等。当你把程序部署到正式的服务器上，系统管理员要为服务器的安全承担责任，那么他可能不敢确定你的程序会不会访问不该访问的资源，为了消除潜在的安全隐患，所以采用了沙箱安全机制。

## 三、内存区域 ##

**1、程序计数器**

> 虽然JVM中的程序计数器并不像汇编语言中的程序计数器一样是物理概念上的CPU寄存器，但是JVM中的程序计数器的功能跟汇编语言中的程序计数器的功能在逻辑上是等同的，也就是说**是用来指示执行哪条指令的**。  
> 由于在JVM中，多线程是通过线程轮流切换来获得CPU执行时间的，因此，在任一具体时刻，一个CPU的内核只会执行一条线程中的指令，因此，为了能够使得每个线程都在线程切换后能够恢复在切换之前的程序执行位置，每个线程都需要有自己独立的程序计数器，并且不能互相被干扰，否则就会影响到程序的正常执行次序。因此，可以这么说，**程序计数器是每个线程所私有的**。  
> **在JVM规范中规定，如果线程执行的是非native方法，则程序计数器中保存的是当前需要执行的指令的地址；如果线程执行的是native方法，则程序计数器中的值是undefined。** 此内存区域是唯一一个在Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

**2、java栈（虚拟机栈）**

> 虚拟机栈描述的是 **Java** **方法**执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（ Stack Frame①）用于存储**局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口**等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。当线程执行一个方法时，就会随之创建一个对应的栈帧，并将建立的栈帧压栈。当方法执行完毕之后，便会将栈帧出栈。因此可知，线程当前执行的方法所对应的栈帧必定位于Java栈的顶部。  
> **抛出异常：** 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出 StackOverflowError 异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的 Java 虚拟机都可动态扩展，只不过 Java 虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。

**栈帧内容：**  
**（1）局部变量表：** 用来存储方法中的局部变量（包括在方法中声明的非静态变量以及函数形参）。对于基本数据类型的变量，则直接存储它的值，对于引用类型的变量，则存的是指向对象的引用。局部变量表的大小在编译器就可以确定其大小了，因此在程序执行期间局部变量表的大小是不会改变的。

\*\*（2）操作数栈：\*\*想必学过数据结构中的栈的朋友想必对表达式求值问题不会陌生，栈最典型的一个应用就是用来对表达式求值。想想一个线程执行方法的过程中，实际上就是不断执行语句的过程，而归根到底就是进行计算的过程。因此可以这么说，程序中的所有计算过程都是在借助于操作数栈来完成的。

**（3）动态链接（指向运行时常量池的引用）：** 因为在方法执行的过程中有可能需要用到类中的常量，所以必须要有一个引用指向运行时常量。

**（4）方法出口：** 当一个方法执行完毕之后，要返回之前调用它的地方，因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址。

**注意点：** 由于每个线程正在执行的方法可能不同，因此每个线程都会有一个自己的Java栈，互不干扰。

**3、本地方法栈**

> 本地方法栈（ Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行 Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError 和OutOfMemoryError 异常。

**4、方法区**

> 方法区在JVM中也是一个非常重要的区域，它与堆一样，是被线程共享的区域。在方法区中，存储了**每个类的信息（包括类的名称、方法信息、字段信息）、静态变量、常量以及编译器编译后的代码**等。  
> 在Class文件中除了类的字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息**是常量池，用来存储编译期间生成的字面量和符号引用。**  
> 在方法区中有一个非常重要的部分就是运行时常量池，它是每一个类或接口的常量池的运行时表示形式，在类和接口被加载到JVM后，对应的运行时常量池就被创建出来。当然并非Class文件常量池中的内容才能进入运行时常量池，在运行期间也可将新的常量放入运行时常量池中，比如String的intern方法。  
> 根据 Java 虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出 **OutOfMemoryError** 异常。

**5、java堆**

> 对于大多数应用来说， Java 堆（ Java Heap）是 Java 虚拟机所管理的**内存中最大的一块**。 **Java堆是被所有线程共享的一块内存区域**，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这一点在 Java 虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着 JIT 编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。  
>   **Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC 堆**（ ” Garbage Collected Heap）。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以 Java 堆中还可以细分为：**新生代和老年代；再细致一点的有 Eden 空间、 From Survivor空间、 To Survivor 空间等**。如果从内存分配的角度看，线程共享的 Java 堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（ Thread Local Allocation Buffer， TLAB）。不过，无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

## 四、堆外内存（直接内存） ##

**1、概念：** Java中的内存分为两个部分，一部分是不需要jvm管理的直接内存，也被称为堆外内存。堆外内存就是把内存对象分配在JVM堆意外的内存区域，这部分内存不是虚拟机管理，而是由操作系统来管理，这样可以减少垃圾回收对应用程序的影响。

**2、好处：** 使用堆外内存的好处是，可以提升性能。比如常规情况下，把java堆内部的数据进行远程发送，需要先把堆内部的数据拷贝到直接内存里面，也就是拷贝到堆外内存，然后在发送。如果把对象分配到直接内存里面，发送的时候就可以省掉复制的哪一步操作。

**3、缺点：** 就是没有jvm帮助管理内存，需要我们自己来管理堆外内存，防止内存溢出。为了避免一直没有FULL GC，最终导致物理内存被耗完。我们会指定直接内存的最大值，通过-XX：MaxDirectMemerySize来指定，当达到阈值的时候，调用system.gc来进行一次full gc，把那些没有被使用的直接内存回收掉。

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