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。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 / ClassLoader）
• 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）

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。

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 反汇编，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）

（注意：反汇编是得到汇编代码,反编译是得到高级语言代码）

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：

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：

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

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。

元数据区的动态扩展：默认-XX:MetaspaceSize值为21MB的高水位线。一旦触及则Full GC将被触发并卸载没有用的类（类对应的类加载器不再存活），然后高水位线将会充值。新的高水位线的值取决于GC后释放的元空间。如果释放的空间少，这个高水位线则上升。如果释放空间过多，则高水位线下降。

（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From区和To区占满时（或者即使没占满，当幸存者区的From区和To区轮循15次时（默认15），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（Full GC 是清理整个堆空间—包括年轻代和永久代）。

三、JVM执行引擎

JVM执行引擎：读取运行时数据区的Java字节码并逐个执行。

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）