成都Java开发工程师：Java虚拟机—JVM

　　一、JVM整体架构

　　1、JVM(Java虚拟机)：指以软件的方式模拟具有完整硬件系统功能、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统，是物理机的软件实现。成都Java开发工程师常用的虚拟机有VMWare、Virtual Box、Java Virtual Machine。

　　2、JVM由三个主要的子系统构成

　　类加载子系统 (即类加载器)

　　运行时数据区(即内存结构 / 内存模型 / JMM)

　　执行引擎(包含垃圾收集器)

　　成都Java开发工程师：Java虚拟机—JVM

　　通过类加载器将.class文件加载进内存中，再由执行引擎去运行。

　　堆和方法区是所有线程都共享的。

　　Java栈、本地方法栈和程序计数器是非线程共享的。

　　二、JVM内存结构

　　下面会用到的例子：定义一个Math类。

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　　1、本地方法栈(线程私有)：登记native本地方法(即native方法是存到本地方法栈)，在执行引擎执行时加载本地方法库(C语言实现的库)。

　　举例：Thread类中的 start0() 方法底层实现是用C语言写的。

　　2、程序计数器(线程私有)：就是一个指针，指向方法区中的方法字节码(用来存储指向下一条指令的地址，也即指向将要执行的指令代码)，由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不计。

　　举例：对.class文件进行 javap -c 反编译，下图为 math() 方法反编译后的结果：(iconst_1和istore_1两条指令代表 int a=1)

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　　3、方法区(线程共享)：类的所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数、接口代码也定义在此(类加载器会将字节码文件加载到方法区中，分解成多个部分)。简单说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，静态变量+常量+类信息(构造方法/接口定义)+运行时常量池都存在方法区中，虽然JVM规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap(非堆)，目的应该是与Java堆区分开来。

　　4、Java栈(线程私有)：Java线程执行方法的内存模型，一个线程对应一个栈，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息)，不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就释放，生命周期和线程一致。

　　JVM对该区域规范了两种异常：

　　① 线程请求的栈深度大于虚拟机栈所允许的深度时，将抛出StackOverFlowError异常。

　　② 若虚拟机栈可动态扩展，当无法申请到足够内存空间时将抛出OutOfMemoryError，通过JVM参数 -> Xss指定栈空间，空间大小决定函数调用的深度。

　　下图左边为Java栈的内存结构图：

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　　动态链接：如Map map = new HashMap()，程序运行时map变量需要去找到运行时的HashMap实例对象(多态)的过程，就叫动态链接。

　　方法出口：如main()方法中的math()方法运行结束return返回的值用于main()方法中，return的这个过程就叫方法出口。

　　5、堆(线程共享)：虚拟机启动时创建，用于存放对象实例，几乎所有的对象(包含常量池)都放在堆上分配内存，当对象无法在该空间申请到内存时将抛出OutOfMemoryError异常。同时也是垃圾收集器管理的主要区域。可通过 -Xmx -Xms 参数来分别指定最大堆和最小堆。

　　下图为堆的内存结构图：

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　　JVM调优的根本目的：尽量减少Full GC的次数，并且缩短每次Full GC的时间长度。(Full GC性能非常低，执行这个过程时会停止整个JVM，即STW(Stop The World)，包括程序运行的那些线程，然后专门去做垃圾收集。现在新的GC会尽量缩短STW时间长度，尽量让垃圾收集和业务线程并发执行)

　　垃圾收集器(GC)存在的意义：回收堆中无引用的对象，释放空间。

　　堆中新生代(Young Generation)占1/3的堆空间，新生代包括伊甸园区(Eden Space)和幸存者区(Survivor Space);老年代(Old Generation)占2/3的堆空间。

　　JDK1.8以前是没有元数据区(MetaData Space)的，而是永久代，从1.8开始元空间取代了永久代，本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现，区别在于元数据区并不在虚拟机中，不属于堆中的内存结构，而是直接使用本机物理内存，永久代在虚拟机中，逻辑结构上属于堆，但是物理上不属于堆，堆大小=新生代+老年代。元数据区也有可能发生OutOfMemory异常。

　　JDK1.6及之前：有永久代，常量池在方法区

　　JDK1.7：有永久代，但已逐步“去永久代”，常量池在堆

　　JDK1.8及之后：无永久代，常量池在元空间

　　成都Java开发工程师提问：为什么JDK1.8用元数据区取代了永久代?

　　官方解释：移除永久代是为融合HotSpot JVM与JRockit VM而做出的努力，因为JRockit没有永久代，不需要配置永久代。

　　(JDK 8实际上是这两种虚拟机合并之后的产物，HotSpot JVM(Sun公司开发)，JRockit VM(BEA公司开发)。猜测：HotSpot JVM输了，没错，开发出Java语言的Sun公司最后输了，就听JRockit VM的)

　　① new出来的对象会放在Eden区中，当Eden区占满时会做一次Minor GC(即轻GC)，回收Eden区中无引用的对象，剩下的存活对象则会放到From区中。

　　② 后面又有新的new出来的对象不断存放在Eden区中，当Eden区占满时再做Minor GC，又有对象存放在From区中，当From区占满时也会做Minor GC，GC会回收Eden区和From区中无引用的对象，剩下的存活对象则会放到To区中，此时角色转变，From区变成To区，To区变成From区。

　　③ 接着，还会有新的对象存放到Eden区中，当Eden区占满时再做Minor GC，此时存活的对象放到新的From区中，当新的From区放满时又做Minor GC，把存活对象放入新的To区，依次轮循。

　　④ 如果一直有新的对象过来，不断的做Minor GC，当幸存者区的From区和To区轮循大概15次时，如果To区还有存活的对象，再做一次Minor GC则会把存活的对象移入老年代。

　　⑤ 如果有一天老年代也占满了，则会触发Full GC再次回收无引用对象(有的GC会回收所有区，有的只会回收老年代，得看使用了哪种GC，后面会讲)。

　　三、执行引擎

　　执行引擎：读取运行时数据区的Java字节码并逐个执行。

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　　解释执行字节码的方式：① JIT编译器;② 字节码解释器;③ mixed mode(前两种的混合模式，JDK 8是采用这种，之前的我不知道)

　　JIT编译器(Just In Time，即时编译)：一次性解释所有指令，第一次执行慢，后面执行快。(会缓存)

　　字节码解释器：逐行解释指令，每次执行需要重新解释，前几次可能比JIT编译器快，后面比它慢。(不缓存)

(责任编辑：范老师)