JVM

JVM快速入门

从面试开始：

1.JVM是什么? JVM的内存区域分为哪些?

2.什么是OOM? 什么是StackoverflowError? 有哪些方法分析?

3.JVM 的常用参数调优你知道哪些?

4.GC是什么? 为什么需要GC?

5.什么是类加载器?

什么是JVM

JVM：Java Virtual Machine，Java虚拟机

**位置：**JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。

为什么要在程序和操作系统中间添加一个JVM？

Java 是一门抽象程度特别高的语言，提供了自动内存管理等一系列的特性。这些特性直接在操作系统上实现是不太可能的，所以就需要 JVM 进行一番转换。有了 JVM 这个抽象层之后，Java 就可以实现跨平台了。JVM 只需要保证能够正确执行 .class 文件，就可以运行在诸如 Linux、Windows、MacOS 等平台上了。而 Java 跨平台的意义在于一次编译，处处运行，能够做到这一点 JVM 功不可没。

主流虚拟机有哪些？

JCP组织（Java Community Process 开放的国际组织）：Hotspot虚拟机（Open JDK版），sun2006年开源
Oracle：Hotspot虚拟机（Oracle JDK版），闭源，允许个人使用，商用收费
BEA：JRockit虚拟机
IBM：J9虚拟机
阿里巴巴：Dragonwell JDK（龙井虚拟机），电商物流金融等领域，高性能要求。

结构图

JVM的作用：加载并执行Java字节码文件(.class) - 加载字节码文件、分配内存（运行时数据区）、运行程序

JVM的特点：一次编译到处运行、自动内存管理、自动垃圾回收

类加载器子系统：将字节码文件（.class）加载到内存中的方法区
运行时数据区：
- 方法区：存储已被虚拟机加载的类的元数据信息(元空间)。也就是存储字节码信息。
- 堆：存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
- 虚拟机栈(java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
- 本地方法栈：本地方法栈则是记录虚拟机当前使用到的native方法。
- 程序计数器：当前线程所执行的字节码的行号指示器。
本地方法接口：虚拟机使用到的native类型的方法，负责调用操作系统类库。（例如Thread类中有很多Native方法的调用）
执行引擎：包含解释器、即时编译器和垃圾收集器，负责执行加载到JVM中的字节码指令。

注意：

多线程共享方法区和堆；
Java栈、本地方法栈、程序计数器是每个线程私有的。

执行引擎Execution Engine

Execution Engine执行引擎负责解释命令(将字节码指令解释编译为机器码指令)，提交操作系统执行。

JVM执行引擎通常由两个主要组成部分构成：解释器和即时编译器（Just-In-Time Compiler，JIT Compiler）。

解释器：当Java字节码被加载到内存中时，解释器逐条解析和执行字节码指令。解释器逐条执行字节码，将每条指令转换为对应平台上的本地机器指令。由于解释器逐条解析执行，因此执行速度相对较慢。但解释器具有优点，即可立即执行字节码，无需等待编译过程。
即时编译器（JIT Compiler）：为了提高执行速度，JVM还使用即时编译器。即时编译器将字节码动态地编译为本地机器码，以便直接在底层硬件上执行。即时编译器根据运行时的性能数据和优化技术，对经常执行的热点代码进行优化，从而提高程序的性能。即时编译器可以将经过优化的代码缓存起来，以便下次再次执行时直接使用。

JVM执行引擎还包括其他一些重要的组件，如即时编译器后端、垃圾回收器、线程管理器等。这些组件共同协作，使得Java程序能够在不同的操作系统和硬件平台上运行，并且具备良好的性能。

本地方法接口Native Interface

本地接口的作用是融合不同的编程语言为 Java 所用，于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native的代码，它的具体做法是 Native Method Stack中登记 native方法，在Execution Engine 执行时加载native libraies。

例如Thread类中有一些标记为native的方法：

Native Method Stack

本地方法栈存储了从Java代码中调用本地方法时所需的信息。是线程私有的。

PC寄存器(程序计数器)

每个线程都有一个程序计数器，是线程私有的，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，即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，几乎可以忽略不记。

类加载器ClassLoader

负责加载class文件，class文件在文件开头有特定的文件标识(cafe babe)。
ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。
加载的类信息存放到方法区的内存空间。

类的加载过程

类加载过程主要分为三个步骤：加载、链接、初始化，而其中链接过程又分为三个步骤：验证、准备、解析，加上使用、卸载两个步骤统称为为类的生命周期。

阶段一：加载

通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
将这个字节流代表的静态存储结构转为方法区运行时数据结构
在内存中生成一个代码这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

结论：类加载为懒加载

阶段二：链接

验证：验证阶段主要是为了为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合虚拟机要求，并且不会危害虚拟机
准备：
- 为类的静态变量分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即赋初值【赋的默认值】
- 实例变量是在创建对象的时候完成赋值，且实例变量随着对象一起分配到Java堆中
- final修饰的常量在编译的时候会分配，准备阶段直接完成赋值，即没有赋初值这一步。被所有线程所有对象共享
解析：将符号引用替换为直接引用
- 符号引用：以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可
- 直接引用：可以直接指向目标的指针，而直接引用必须引用的目标已经在内存中存在

阶段三：初始化

初始化阶段是执行类构造器的过程。这一步主要的目的是：根据程序员程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。

类加载器的作用

负责加载class文件，class文件在文件开头有的文件标识**（CA FE BA BE）**，并且ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。

类加载器分类

分为四种，前三种为虚拟机自带的加载器。

启动类加载器（BootstrapClassLoader）：由C++实现。
扩展类加载器（ExtClassLoader/PlatformClassLoader）：由Java实现，派生自ClassLoader类。
应用程序类加载器（AppClassLoader）：也叫系统类加载器。由Java实现，派生自ClassLoader类。
自定义加载器：程序员可以定制类的加载方式，派生自ClassLoader类。

Java 9之前的ClassLoader

Bootstrap ClassLoader加载$JAVA_HOME中【jre/lib/rt.jar】，加载JDK中的核心类库
ExtClassLoader加载相对次要、但又通用的类，主要包括$JAVA_HOME中【jre/lib/ext/*.jar】或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包
AppClassLoader加载-cp指定的类，加载用户类路径中指定的jar包及目录中class

Java 9及之后的ClassLoader

Bootstrap ClassLoader，使用了模块化设计，加载【lib/modules】启动时的基础模块类，java.base、java.management、java.xml
ExtClassLoader更名为PlatformClassLoader，使用了模块化设计，加载【lib/modules】中平台相关模块，如java.scripting、java.compiler。
AppClassLoader加载-cp，-mp指定的类，加载用户类路径中指定的jar包及目录中class

双亲委派模型

如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上：

1、当AppClassLoader加载一个class时，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给父类加载器PlatformClassLoader去完成。
2、当PlatformClassLoader加载一个class时，它首先也不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给父类加载器BootStrapClassLoader去完成。
3、如果BootStrapClassLoader加载失败，会用PlatformClassLoader来尝试加载；
4、若PlatformClassLoader也加载失败，则会使用AppClassLoader来加载
5、如果AppClassLoader也加载失败，则会报出异常ClassNotFoundException

其实这就是所谓的双亲委派模型。简单来说：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上。

目的：

一，性能，避免重复加载；

二，安全性，避免核心类被修改。

方法区Method Area

方法区存储什么

方法区是被所有线程共享。《深入理解Java虚拟机》书中对方法区存储内容的经典描述如下：它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等：

方法区演进细节

Hotspot中方法区的变化：

方法区(永久代（JDK7及以前）、元空间（JDK8以后）)

方法区是 JVM 规范中定义的一块内存区域，用来存储类元数据、方法字节码、即时编译器需要的信息等
永久代是 Hotspot 虚拟机对 JVM 规范的实现（1.8 之前）
元空间是 Hotspot 虚拟机对 JVM 规范的另一种实现（1.8 以后），使用本地内存作为这些信息的存储空间

虚拟机栈stack

Stack 栈是什么？

栈也叫栈内存，主管Java程序的运行，是在线程创建时创建，每个线程都有自己的栈，它的生命周期是跟随线程的生命周期，线程结束栈内存也就释放，是线程私有的。
线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧（Stack Frame）。

栈运行原理

JVM对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈，遵循“先进后出”或者“后进先出”原则。
一个线程中只能有一个正在执行的方法（当前方法），因此对应只会有一个活动的当前栈帧。

当一个方法1（main方法）被调用时就产生了一个栈帧1 并被压入到栈中，栈帧1位于栈底位置

方法1又调用了方法2，于是产生栈帧2 也被压入栈，

方法2又调用了方法3，于是产生栈帧3 也被压入栈，

……

执行完毕后，先弹出栈帧4，再弹出栈帧3，再弹出栈帧2，再弹出栈帧1，线程结束，栈释放。

栈存储什么?

局部变量表（Local Variables）

也叫本地变量表。

作用：存储方法参数和方法体内的局部变量：8种基本类型变量、对象引用（reference）。

可以用如下方式查看字节码中一个方法内定义的的局部变量，当程序运行时，这些局部变量会被加载到局部变量表中。

查看局部变量：

可以使用javap - .class* 命令，或者idea中的jclasslib插件。

注意：以下方式看到的是加载到方法区中的字节码中的局部变量表，当程序运行时，局部变量表会被动态的加载到栈帧中的局部变量表中

操作数栈（Operand Stack）

**作用：**也是一个栈，在方法执行过程中根据字节码指令记录当前操作的数据，将它们入栈或出栈。用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量的临时存储空间。

动态链接（Dynamic Linking）

**作用：**可以知道当前帧执行的是哪个方法。**指向运行时常量池中方法的符号引用。**程序真正执行时，类加载到内存中后，符号引用会换成直接引用。

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10


public class DynamicLinkingDemo {

    public void methodA(){
        methodB(); //方法A引用方法B
    }

    public void methodB(){

    }
}

方法返回地址（Return Address）

**作用：**可以知道调用完当前方法后，上一层方法接着做什么，即“return”到什么位置去。存储当前方法调用完毕

完整的内存结构图如下

栈溢出

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14


/**
 * 未设置栈大小默认：11416次
 * 设置VM参数：-Xss256k 2475次
 */
public class StackOOMDemo {

    public static int count = 1;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(count);
        count++;
        main(args);
    }
}

常见问题栈溢出：Exception in thread “main” java.lang.StackOverflowError通常出现在递归调用时。

问题辨析：

垃圾回收是否涉及栈内存？

不涉及，因为栈内存在方法调用结束后都会自动弹出栈。
方法内的局部变量是线程安全的吗？

当方法内局部变量没有逃离方法的作用范围时线程安全，因为一个线程对应一个栈，每调用一个方法就会新产生一个栈桢，都是线程私有的局部变量，当变量是static时则不安全，因为是线程共享的。