从上帝视角看Java如何运行

JVM内存结构

可以看出JVM从宏观上可以分为 ‘内部’  及 ‘外部’  两个部分(便于记忆理解)：

‘内部’包含：线程共享（公有）数据区 和 线程隔离（私有）数据区

‘外部’包含：类加载子系统、垃圾回收器、执行引擎、本地库接口、本地方法库

以上部件构成了整个jvm，接下来我们一个一个零件拆开了看。

class文件

　　一个java文件会通过编译工具（javac）编译成class字节码文件，通过jvm进行加载运行。因为jvm屏蔽了底层操作系统的差异（平台无关性），所以一次编译到处运行。

类加载子系统

　　类加载子系统：负责查找和装载class文件，将其中的二进制数据加载到jvm中。

字节码 --> 加载 -->  验证 --> 准备 --> 解析  --> 初始化

加载：通过类的完全限定名找到类文件所在位置，根据其中的字节码创建java.lang.Class对象，所以才会说万物皆对象，我们也可以继承ClassLoader，重写findClass方法来自定义实现类加载器。默认情况下我们都使用AppClassLoader

验证：确保加载的字节码的是否符合虚拟机的要求，是java提供的一种自我保护机制，不让其危害虚拟机安全。其主要包括四种验证，字节码验证、文件格式验证，元数据验证、符号引用验证。

准备：为类变量分配地址和初始化值，类变量会分配到方法区（元空间）中，这里的初始化是指该数据类型的默认初始值，例如int对应的是0，long对应的0L，只有在初始化时才会动显示赋值

解析：把类中的二进制数据中的符号引用转换为直接引用；例如我们通过user.getInfo();这里的.getInfo()就是符号引用，在解析阶段会将它指向真正的内存位置，这就是直接引用

初始化：主要为类的静态变量赋予正确的值，比如int num = 10; 这里num的值会从准备阶段的0变为10；并且若该类有父类，会对其进行初始化操作；如果类中有初始化语句，系统会按照顺序进行初始化

双亲委派模式

双亲委派：自底向上检查是否加载成功，自顶向下尝试加载。

当一个类加载器收到类加载请求，它不会自己进行加载，而是将该请求丢给父类加载，如果父类还存在父类，则会依次向上请求，直到到达顶级加载器，如果父类加载器能加载完成就返回加载成功，否则子类加载器才会自己尝试加载。

System.out.println(Test.class.getClassLoader());
System.out.println(Test.class.getClassLoader().getParent());
System.out.println(Test.class.getClassLoader().getParent().getParent());
System.out.println(String.class.getClassLoader());

通过代码验证，可以很轻松的了解 AppClassLoader -> ExtClassLoader -> BootstrapClassLoader 这三层的关系。

类加载的三种方式

1. new关键字加载

　　User user = new User();

　　  静态加载，在运行时候通过new关键字创建类实例

2. Class.forName()加载

　　Class clazz ＝ Class.forName（“User”）;
　　Object user＝clazz.newInstance();

　　  动态加载，通过Class.forName()来加载类，然后调用类的newInstance()方法实例化对象

3. ClassLoader 实例的 loadClass() 方法

　　Class clazz ＝ classLoader.loadClass（“User”）;
　　Object user＝clazz.newInstance();

　　  动态加载，可通过继承ClassLoader实现自定义类加载器

线程私有和线程公有

JVM内存区从宏观上可以分为 线程私有 和 线程公有 两块。

线程私有部分

　　这部分没有线程安全问题，随着线程执行结束而结束；包含程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈三个部件。

程序计数器：

　　程序计数器也叫PC寄存器，作用是cpu进行切换的时候，指向当前时刻需要获取指令的位置。

   特点：

1. 线程私有
2. 一块较小的区域
3. 记录程序执行的位置
4. 不存在内存溢出OutOfMemoryError

虚拟机栈：

　　栈数据结构实现，入口和出口只有一个，称之为入栈和出栈，先进后出（FILO）

　　栈的作用主要是执行方法，先执行的方法在最下面，然后依次放入，方法执行完毕之后从上往下依次退出；所以方法执行就是压栈，方法结束就是出栈（销毁栈帧）。

public void start(){
    say();
    run();
}

虚拟机栈如何执行

栈帧

　　栈帧存在Java虚拟机栈中，是虚拟机栈中的单位元素。方法执行会创建栈帧，一个方法就是一个栈帧，一个栈帧分为四个部分：

1. 局部变量表

存放方法参数或者内部定义的一组变量列表；例如方法中声明的对象：

　　User user = new User();  //局部变量user

2. 操作数栈

执行字节码指令的时候使用，通俗的讲就是方法的执行在操作数栈中进行，通过压栈和出栈进行访问

3. 动态链接

Java运行期间是动态链接的，需要将指向方法的符号引用转换为直接引用（内存地址）；在类加载解析阶段，将符号引用转换为直接引用称之为静态解析。而此处正好就是动态链接

user.getInfo();  //找到这个getInfo()方法的内存位置

4. 返回地址

方法不管正常执行结束还是异常退出，需要返回方法被调用的位置

以上四个部分对应方法执行的过程。虚拟里面包含很多个栈帧，每个方法对应一个栈帧。

将一个class文件，通过bin/javap.exe文件进行反汇编可以查看出以上四个部分。

栈溢出：当栈的深度大于虚拟机允许会报StackOverflowError，-Xss可设置大小

/** 递归演示如何栈溢出 */
public static int num = 0;
public static void a(){
    num++;
    a();
}
public static void main(String[] args) {
    try{
        a();
    }catch (Exception ex){
        System.out.println("调用次数："+num);
    }
}　

内存溢出：当栈需要扩展而无法申请空间会报OutOfMemoryError

本地方法栈

本地方法栈和虚拟机栈类似，区别在于虚拟机栈主要为jvm执行字节码服务，而本地方法栈为Native方法服务，即本地方法服务；所以本地方法栈也是一块内存私有区域，与虚拟机栈相同也有同样的异常问题。

  特点：

1. 与虚拟机栈基本类似
2. 区域在于本地方法栈为Native方法服务（windows下调用dll文件）
3. Sun HotSpot将虚拟机栈和本地方法栈合并
4. 有StackOverflowError和OutOfMemoryError

线程公有部分

　　这部分存在线程安全问题，平常我们所指的内存优化，溢出等问题都是需要关注这个区域。包含堆、方法区（也叫元空间）两个部件。

方法区（元空间）

　　类加载器加载类的时候，会将一些类的元数据信息（字节码）保存在这个区域，例如：类变量，静态方法，普通方法等，方法区是线程共享的，多个线程能用到同一个类

　　jdk1.7合并方法区到了堆里面

　　jdk1.8保留了方法区的概念，只不过实现方式不同，jdk1.8称为元空间，与堆不相连，但是与堆共享物理内存，逻辑上可以认为是在堆中

 特点：

1. 线程共享
2. 存储类信息、常量、静态变量、方法描述等信息
3. HotSpot虚拟机中称之为永久代
4. GC很少回收这个区域
5. 存在OutOfMemoryError，可以通过-XX:MaxPermSize设置大小

堆

　　堆中用于存放所有实例化对象和数组，堆中信息线程共享，所有jvm部件中分配内存中最大的区域，在虚拟机启动时就创建，垃圾回收器主要管理该区域，堆分为新生代（占堆内存1/3）和老年代（占堆内存2/3），新生代更细致可以分为Eden、From Survivor、To Survivor空间，比例8:1:1 ；可以通过-Xmx、-Xms设置大小

在堆中产生了一个实例对象或数组，可以在栈中声明一个变量，用于指向堆中的对象，该变量的取值等于堆中对象的内存地址，所以我们在打印变量名的时候是一串内存地址

 Test test = new Test();
 System.out.println(test);  //输出Test@1b6d3586

　　万物皆对象，当我们在实际开发中，创建了许多对象，为了防止内存泄露，java确保有效的使用内存，会由java虚拟机自动垃圾回收器来管理；且把堆分为新生代和老年代进行管理

新生代与老年代

　　新生代是Java对象出生的地方，是新对象分配内存的地方，大部分对象存活时间都不需要太久，这个区域会频繁触发MinorGC进行垃圾回收；
　　而老年代存放的都是存活时间较久或者内存较大的对象，所以Full GC不会频繁执行。

Minor GC

　　发生在新生代中的垃圾回收机制，采用复制算法（扫描存活对象，复制到一块新内存空间中），From Survivor 和 to Survivor是相对的，也就是说Minor GC发生时，Eden区和其中一个Survivor区会把一些仍然存活的对象放置另外一个Survivor 区，然后清理Eden区和之前的Survivor 区，下次同理，当达到一定 ‘年龄’ 后，新生代会把对象放入老年代（每发生一次Minor GC增加1岁，默认15岁）

Full GC

　　发生在老年代中的垃圾回收机制，采用标记-清除（标记存活的对象，清除未标记的对象，即需要回收的对象），因为老年代中的对象较稳定，所以发生Full GC的频率相对Minor GC较少，但是一次回收的时间会比Minor GC更长