关于JVM的一些问题

今天药忘吃喽~ 2023-09-27 19:36 9阅读 0赞

**说一下 JVM 的主要组成部分及其作用？**

JVM包含两个子系统和两个组件，两个子系统为Class loader(类装载)、Execution engine(执行引擎)；两个组件为Runtime data area(运行时数据区)、Native Interface(本地接口)。

Class loader(类装载)：根据给定的全限定名类名(如：  
java.lang.Object)来装载class文件到Runtime data area中的method area。

Execution engine（执行引擎）：执行classes中的指令。

Native Interface(本地接口)：与native libraries交互，是其它编程语言交互的接口。

Runtime data area(运行时数据区域)：这就是我们常说的JVM的内存。

**作用** ：首先通过编译器把 Java 代码转换成字节码，类加载器（ClassLoader）再把字节码加载到内存中，将其放在运行时数据区（Runtime data area）的方法区内，而字节码文件只是 JVM 的一套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器执行引擎（Execution Engine），将字节码翻译成底层系统指令，再交由 CPU 去执行，而这个过程中需要调用其他语言的本地库接口（Native Interface）来实现整个程序的功能。

**下面是Java程序运行机制详细说明**

Java程序运行机制步骤

首先利用IDE集成开发工具编写Java源代码，源文件的后缀为.java； 再利用编译器(javac命令)将源代码编译成字节码文件，字节码文件的后缀名为.class；

运行字节码的工作是由解释器(java命令)来完成的。

从上图可以看，java文件通过编译器变成了.class文件，接下来类加载器又将这些.class文件加载到JVM中。

其实可以一句话来解释：类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个   
java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。

**说一下 JVM 运行时数据区**

**Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它所管理的内存区域划分为若干个不同的数据区****域**。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有些区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则是依赖线程的启动和结束而建立和销毁。Java 虚拟机所管理的内存被划分为如下几个区域：

不同虚拟机的运行时数据区可能略微有所不同，但都会遵从 Java 虚拟机规范， Java 虚拟机规范规定的区域分为以下 5 个部分：

程序计数器（Program Counter Register）：当前线程所执行的字节码的行号指示器，字节码解析器的工作是通过改变这个计数器的值，来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能，都需要依赖这个计数器来完成；  
Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）：用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息；  
本地方法栈（Native Method Stack）：与虚拟机栈的作用是一样的，只不过虚拟机栈是服务 Java 方法的，而本地方法栈是为虚拟机调用 Native 方法服务的； Java 堆（Java Heap）：Java 虚拟机中内存最大的一块，是被所有线程共享的，几乎所有的对象实例都在这里分配内存；  
方法区（Methed Area）：用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。

**深拷贝和浅拷贝**

浅拷贝（shallowCopy）只是增加了一个指针指向已存在的内存地址，

深拷贝（deepCopy）是增加了一个指针并且申请了一个新的内存，使这个增加的指针指向这个新的内存，  
使用深拷贝的情况下，释放内存的时候不会因为出现浅拷贝时释放同一个内存的错误。

浅复制：仅仅是指向被复制的内存地址，如果原地址发生改变，那么浅复制出来的对象也会相应的改变。

深复制：在计算机中开辟一块**新的内存地址**用于存放复制的对象。

**说一下堆栈的区别？**

物理地址  
堆的物理地址分配对对象是不连续的。因此性能慢些。在GC的时候也要考虑到不连续的分配，所以有各种算法。比如，标记-消除，复制，标记-压缩，分代（即新生代使用复制算法，老年代使用标记——压缩）  
栈使用的是数据结构中的栈，先进后出的原则，物理地址分配是连续的。所以性能快。

内存分别  
堆因为是不连续的，所以分配的内存是在运行期确认的，因此大小不固定。一般堆大小远远大于栈。

栈是连续的，所以分配的内存大小要在编译期就确认，大小是固定的。

存放的内容  
堆存放的是对象的实例和数组。因此该区更关注的是数据的存储  
栈存放：局部变量，操作数栈，返回结果。该区更关注的是程序方法的执行。

PS：

1. 静态变量放在方法区

2. 静态的对象还是放在堆。

程序的可见度

堆对于整个应用程序都是共享、可见的。

栈只对于线程是可见的。所以也是线程私有。他的生命周期和线程相同。

**队列和栈是什么？有什么区别？**

队列和栈都是被用来预存储数据的。

操作的名称不同。队列的插入称为入队，队列的删除称为出队。栈的插入称为进栈，栈的删除称为出栈。

可操作的方式不同。队列是在队尾入队，队头出队，即两边都可操作。而栈的进栈和出栈都是在栈顶进行的，无法对栈底直接进行操作。

操作的方法不同。队列是先进先出（FIFO），即队列的修改是依先进先出的原则进行的。新来的成员总是加入队尾（不能从中间插入），每次离开的成员总是队列头上（不允许中途离队）。而栈为后进先出（LIFO）,即每次删除（出栈）的总是当前栈中最新的元素，即最后插入（进栈）的元素，而最先插入的被放在栈的底部，要到最后才能删除。

**HotSpot虚拟机对象探秘**

**对象的创建**

说到对象的创建，首先让我们看看 Java 中提供的几种对象创建方式：

<table style="margin-left:5.4pt;"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:180pt;"> Header 使用new关键字 使用Class的newInstance方法 使用Constructor类的newInstance方法 使用clone方法 使用反序列化 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:196pt;"> 解释 调用了构造函数 调用了构造函数 调用了构造函数 没有调用构造函数 没有调用构造函数 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

虚拟机遇到一条new指令时，先检查常量池是否已经加载相应的类，如果没有，必须先执行相应的类加载。类加载通过后，接下来分配内存。若Java堆中内存是绝对规整的，使用“指针碰撞“方式分配内存；如果不是规整的，就从空闲列表中分配，叫做”空闲列表“方式。划分内存时还需要考虑一个问题-并发，也有两种方式: CAS同步处理，或者本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer, TLAB)。然后内存空间初始化操作，接着是做一些必要的对象设置(元信息、哈希码…)，最后执行方法。

**为对象分配内存**

类加载完成后，接着会在Java堆中划分一块内存分配给对象。内存分配根据Java堆是否规整，有两种方式：

指针碰撞：如果Java堆的内存是规整，即所有用过的内存放在一边，而空闲的的放在另一边。分配内存时将位于中间的指针指示器向空闲的内存移动一段与对象大小相等的距离，这样便完成分配内存工作。

空闲列表：如果Java堆的内存不是规整的，则需要由虚拟机维护一个列表来记录那些内存是可用的，这样在分配的时候可以从列表中查询到足够大的内存分配给对象，并在分配后更新列表记录。

选择哪种分配方式是由 Java 堆是否规整来决定的，而 Java 堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

内存分配的两种方式

**处理并发安全问题**

对象的创建在虚拟机中是一个非常频繁的行为，哪怕只是修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也是不安全的，可能出现正在给对象 A 分配内存，指针还没来得及修改，对象 B 又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。

对分配内存空间的动作进行同步处理（采用 CAS + 失败重试来保障更新操作的原子性）；  
把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在 Java 堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）。哪个线程要分配内存，就在哪个线程的 TLAB 上分配。只有 TLAB 用完并分配新的 TLAB 时，才需要同步锁。通过-XX:+/-UserTLAB参数来设定虚拟机是否使用TLAB。

内存分配时保证线程安全的两种方式

**对象的访问定位**

Java程序需要通过 JVM 栈上的引用访问堆中的具体对象。对象的访问方式取决于 JVM 虚拟机的实现。目前主流的访问方式有 **句柄** 和 **直接指针** 两种方式。

**指针：** 指向对象，代表一个对象在内存中的起始地址。

**句柄：** 可以理解为指向指针的指针，维护着对象的指针。句柄不直接指向对象，而是指向对象的指针（句柄不发生变化，指向固定内存地址），再由对象的指针指向对象的真实内存地址。

**句柄访问**

Java堆中划分出一块内存来作为**句柄池**，引用中存储对象的**句柄地****址**，而句柄中包含了**对象实例数****据**与**对象类型数据**各自的**具体地址**信息，

**优势**：引用中存储的是**稳定**的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变**句柄中**的**实例数据指针**，而**引用**本身不需要修改。

**直接指针**

如果使用**直接指****针**访问，**引用** 中存储的直接就是**对象地址**，那么Java堆对象内部的布局中就必须考虑如何放置访问**类型数据**的相关信息。

**优势**：速度更**快**，节省了**一次指针定位**的时间开销。由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是非常可观的执行成本。HotSpot 中采用的就是这种方式。