jvm学习笔记_简单了解jvm

喜欢ヅ旅行 2023-07-03 06:15 79阅读 0赞

### 一、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。

### 二、运行过程 ###

我们都知道java源文件，通过编译器生成相应的.class文件，也就是字节码文件，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。需要注意的是：当一个程序从开始运行，这时虚拟机就开始实例化，多个程序启动，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，则虚拟机实例消灭，多个虚拟机实例之间数据不能共享。

*  java源文件->编译器->字节码文件
 *  字节码文件->jvm->机器码

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如图所示，不同平台的字节码是一样的但jvm是不同的，不同jvm的解释器将字节码编译成特定机器上的机器码，这样java程序就可以在不同的平台上运行了。所以说jvm不是跨平台的（每个平台上的jvm都不一样当然不能叫跨平台了），虽然jvm为java程序提供了运行环境，java程序依赖于jvm,但java程序是不变的，我在widows上写的java程序也可以在Linux上运行，所以说java程序是跨平台的，当然这所谓的一次编译到处运行的前提是装有jvm。

### 三、jvm内存区域 ###

JVM 内存区域主要分为线程私有区域【程序计数器、虚拟机栈、本地方法区】、线程共享区 域【JAVA 堆、方法区】、直接内存。

线程私有数据区域生命周期与线程相同, 依赖用户线程的启动/结束 而 创建/销毁(在 Hotspot VM 内, 每个线程都与操作系统的本地线程直接映射, 因此这部分内存区域的存/否跟随本地线程的 生/死对应)。

线程共享区域随虚拟机的启动/关闭而创建/销毁。

直接内存并不是 JVM 运行时数据区的一部分, 但也会被频繁的使用: 在 JDK 1.4 引入的 NIO 提 供了基于 Channel 与 Buffer 的 IO 方式, 它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存, 然后使用 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作(详见: Java I/O 扩展), 这样就避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据, 因此在一些场景中可以显著提高性能。

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**程序计数器****(****线程私有****)**

一块较小的内存空间,  是当前线程所执行的字节码的行号指示器 ，每条线程都要有一个独立的 程序计数器，这类内存也称为“线程私有”的内存。

正在执行 java 方法的话，计数器记录的是虚拟机字节码指令的地址（当前指令的地址）。如 果还是 Native 方法，则为空。

这个内存区域是唯一一个在虚拟机中没有规定任何 OutOfMemoryError （内存溢出）情况的区域。

**虚拟机栈** **(** **线程私有** **)**

每个线程创建时都会创建一个栈空间，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame） 用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成 的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

栈帧（ Frame）是用来存储数据和部分过程结果的数据结构，同时也被用来处理动态链接 (Dynamic Linking)、 方法返回值和异常分派（ Dispatch Exception）。栈帧随着方法调用而创建，随着方法结束而销毁——无论方法是正常完成还是异常完成（抛出了在方法内未被捕获的异 常）都算作方法结束。

> 这里需要注意的是在活动线程中，只有位于栈顶的栈帧才是有效的，称为当前栈帧，与这个栈帧相关联的方法称为当前方法。栈中的数据以栈帧的格式存在，当一个方法A被调用时就产生了一个栈帧F1，并被压入到栈中，A方法又调用了B方法，于是残生栈帧F2并被压入栈......依次执行完毕后，先弹出后进，F2出栈，然后F1出栈。遵循“先进后出”原则。
> 
>

**本地方法栈**

和 Java Stack 作用类似, 区别是虚拟机栈为执行 Java 方法服务, 而本地方法栈则为 Native 方法服务, 如果一个 VM 实现使用 C-linkage 模型来支持 Native 调用, 那么该栈将会是一个C 栈，但 HotSpot VM 直接就把本地方法栈和 虚拟机栈合二为一。

当线程请求的栈深度大于JVM所允许的深度。（StackOverflowError（堆栈溢出错误)

若JVM允许动态扩展，若无法申请到足够内存。（ OutOfMemoryError （内存溢出错误））

**堆（** **Heap** **线程共享）**

是被线程共享的一块内存区域，创建的对象和数组都保存在 Java 堆内存中，也是垃圾收集器进行 垃圾收集的最重要的内存区域。由于现代 VM 采用分代收集算法, 因此 Java 堆从 GC 的角度还可以 细分为: 新生代( *Eden 区*、 *From Survivor 区*和 *To Survivor 区*)和老年代。

**方法区** **（线程共享）**

方法区, 用于存储 被 JVM 加载的类信息 、 常量 、 静 态变量、 即时编译器编译后的代码 等数据. 需要注意的是方法区只是jvm规范里面的运行时数据区的一个组成部分，而 Java 堆的永久代来实现方法区, 这样 HotSpot 的垃圾收集器就可以像管理 Java 堆一样管理这部分内存, 而不必为方法区开发专门的内存管理器(永久带的内存回收的主要目标是针对常量池的回收 和 类型的卸载, 因此收益一般很小)。

运行时常量池 （Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版 本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加 载后存放到方法区的运行时常量池中。 Java 虚拟机对 Class 文件的每一部分（自然也包括常量 池）的格式都有严格的规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求，这样才会 被虚拟机认可、装载和执行。

> 在JDK1.7及以后，JVM已经将运行时常量池从方法区中移了出来，在JVM堆开辟了一块区域存放常量池。

### 三、从GC角度细分堆 ###

前面已经提到，java堆从GC的角度还可以细分为：新生代和老年代。

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**新生代**

新生代区域一般用来存放新生的对象，一般占堆内存的1/3。由于频繁的创建对象，所以新生代会频繁地触发MinorGC进行垃圾回收，新生代又分为Eden 区、SurvivorFrom 区和 SurvivorTo 区。

*  Eden区

java新对象的出生地（如果创建的对象占用内存很大，则直接分配到老年代）。当Eden区内存不够的时候会触发                          MinorGC，对新生代进行一次垃圾回收。

*  SurvivorFrom

上一次GC的幸存者，作为这一次GC的扫描者。

*  SurvivorTo

保留了一次MinorGC过程中的幸存者。

也许有人对上面的概念有点清楚，那么好好地了解一下MinorGC的过程，就会觉得很容易理解了。

MinorGC的过程（采用了复制算法，简单来说就是复制->清空->互换）

1.  Eden,SurvivorFrom复制到SurivorTo，年龄+1。
    
    首先，把 Eden 和 ServivorFrom 区域中存活的对象复制到 ServicorTo 区域（如果有对象的年 
    
    龄以及达到了老年的标准，则赋值到老年代区），同时把这些对象的年龄+1（如果 ServicorTo 不 
    
    够位置了就放到老年区）；
2.  清空Eden,SurvivorFrom。
    
    然后，清空 Eden 和 ServicorFrom 中的对象；
3.  ServicorTo 和 ServicorFrom 互换。最后，ServicorTo 和 ServicorFrom 互换，原 ServicorTo 成为下一次 GC 时的ServicorFrom。

**老年代**

老年代的对象都比较稳定，所以 MajorGC不会频繁执行。在进行 MajorGC 前一般都先进行了一次 MinorGC，使得有新生代的对象晋身入老年代，导致空间不够用时才触发。当无法找到足够大的连续空间分配给新创建的较大对象时也会提前触发一次MajorGC 进行垃圾回收腾出空间。

MajorGC 采用 标记清除算法 ：首先扫描一次所有老年代，标记出存活的对象，然后回收没 有标记的对象。MajorGC 的耗时比较长，因为要扫描再回收。MajorGC 会产生内存碎片，为了减 少内存损耗，我们一般需要进行合并或者标记出来方便下次直接分配。当老年代也满了装不下的 时候，就会抛出 OOM（Out of Memory）异常。

### 四、永久代与元空间（或元数据区） ###

**永久代方法区的联系与区别（永久代在jdk8中已被移除）**

指内存的永久保存区域，主要存放常量，静态变量， Class 和 Meta（元数据）的信息,Class 在被加载的时候被 放入永久区域。

有一点需要注意的是， 永久代使用的是堆内存，只是对方法区规范的一种实现，使得jvm可以通过像管理堆内存一样区实现管理方法区的GC机制。 它和和存放实例的区域不同,GC 不会在主程序运行期对永久区域进行清理 。所以这 也导致了永久代的区域会随着加载的 Class 的增多而胀满，最终抛出 OOM 异常。

> 并且只有 HotSpot 才有 “PermGen space”，而对于其他类型的虚拟机，如 JRockit（Oracle）、J9（IBM） 并没有“PermGen space”。

**元空间**

在 Java8 中，永久代已经被移除，被一个称为“元数据区”（元空间）的区域所取代。元空间 的本质和永久代类似，元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用 本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。类的元数据放入 native memory, 字符串池和类的静态变量放入 java 堆中，这样可以加载多少类的元数据就不再由 MaxPermSize 控制, 而由系统的实际可用空间来控制。

### 五、垃圾回收与算法 ###

垃圾回收需要做到三件事：哪些内存需要回收？什么时候回收？怎么回收？

**如何确认垃圾**

1.  引用计数法：
    
    在 Java 中，引用和对象是有关联的。如果要操作对象则必须用引用进行。因此，很显然一个简单
    
    的办法是通过引用计数来判断一个对象是否可以回收。简单说，即一个对象如果没有任何与之关
    
    联的引用，即他们的引用计数都不为 0，则说明对象不太可能再被用到，那么这个对象就是可回收
    
    对象。
2.  可达性分析：
    
    为了解决引用计数法的循环引用问题，Java 使用了可达性分析的方法。通过一系列的“GC roots” 对象作为起点搜索。如果在“GC roots”和一个对象之间没有可达路径，则称该对象是不可达的。要注意的是，不可达对象不等价于可回收对象，不可达对象变为可回收对象至少要经过两次标记 过程。两次标记后仍然是可回收对象，则将面临回收。

**垃圾回收算法**

*  标记清除算法：最基础的垃圾回收算法，分为两个阶段，标注和清除。标记阶段标记出所有需要回收的对象，清除阶段回收被标记的对象所占用的空间。
 *  复制算法 ：为了解决 Mark-Sweep（标记清除算法） 算法内存碎片化的缺陷而被提出的算法。按内存容量将内存划分为等大小 的两块。每次只使用其中一块，当这一块内存满后将尚存活的对象复制到另一块上去，把已使用的内存清掉。
 *  标记整理方法：
    
    结合了以上两个算法，为了避免缺陷而提出。标记阶段和 Mark-Sweep 算法相同，标记后不是清 理对象，而是将存活对象移向内存的一端。然后清除端边界外的对象。
 *  分代收集方法：
    
    分代收集法是目前大部分 JVM 所采用的方法，其核心思想是根据对象存活的不同生命周期将内存 划分为不同的域，一般情况下将 GC 堆划分为老生代(Tenured/Old Generation)和新生代(Young Generation)。老生代的特点是每次垃圾回收时只有少量对象需要被回收，新生代的特点是每次垃 圾回收时都有大量垃圾需要被回收，因此可以根据不同区域选择不同的算法。

### 六、JVM类加载机制 ###

JVM 类加载机制分为五个部分：加载，验证，准备，解析，初始化，下面我们就分别来看一下这 五个过程。

**加载**

加载是类加载过程中的一个阶段，这个阶段会在内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对 象，作为方法区这个类的各种数据的入口。注意这里不一定非得要从一个 Class 文件获取，这里既 可以从 ZIP 包中读取（比如从 jar 包和 war 包中读取），也可以在运行时计算生成（动态代理）， 也可以由其它文件生成（比如将 JSP 文件转换成对应的 Class 类）。

**验证**

这一阶段的主要目的是为了确保 Class 文件的字节流中包含的信息是否符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。

**准备**

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量的初始值阶段，即在方法区中分配这些变量所使

用的内存空间。注意这里所说的初始值概念，比如一个类变量定义为：

public static int v = 8080;

实际上变量 v 在准备阶段过后的初始值为 0 而不是 8080，将 v 赋值为 8080 的 put static 指令是

程序被编译后，存放于类构造器<client>方法之中。

但是注意如果声明为：

public static final int v = 8080;

在编译阶段会为 v 生成 ConstantValue 属性，在准备阶段虚拟机会根据 ConstantValue 属性将 v 赋值为 8080。

**解析**

解析阶段是指虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用就是 class 文件中 的：

*  CONSTANT\_Class\_info
 *  CONSTANT\_Field\_info 
 *  CONSTANT\_Method\_info

等类型的常量。

**初始化**

初始化阶段是类加载最后一个阶段，前面的类加载阶段之后，除了在加载阶段可以自定义类加载

器以外，其它操作都由 JVM 主导。到了初始阶段，才开始真正执行类中定义的 Java 程序代码。

> 本人只是小菜鸟，这里只是对jvm做了简单整理，应该有很多错误的地方，愿读者能够提出建议或指出错误的地方！

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