JVM 基础知识

JVM 基础知识（一）

JVM 从编译到执行

Java 程序的执行过程
一个java程序，首先经过javac编译成.class文件，然后JVM 将其加载到方法区，执行引擎将会执行这些字节码。执行时，会翻译成操作系统相关的函数。JVM 作为 .class 文件的翻译存在，输入字节码，调用操作系统函数。
过程如下：Java 文件->编译器>字节码->JVM->机器码
JVM 全称 Java Virtual Machine，也就是我们耳熟能详的 Java 虚拟机。它能识别 .class 后缀的文件，并且能够解析它的指令，最终调用操作系统上的函数，完成我们想要的操作。

JVM、JRE、JDK 的关系

jdk是最小的开发环境，由jre++java工具组成。
jre是java运行的最小环境，由jvm+核心类库组成。
jvm是虚拟机，是java字节码运行的容器，如果只有jvm是无法运行java的，因为缺少了核心类库。

JDK还提供了一些非常好用的小工具，比如 javac（编译代码）、java、jar （打包代码）、javap（反编译<反汇编>）等。这个就是 JDK。具体可以文档可以通过官网去下载：https://www.oracle.com/java/technologies/javase-jdk8-doc-downloads.html

JVM 的作用是：从软件层面屏蔽不同操作系统在底层硬件和指令的不同。这个就是我们在宏观方面对 JVM 的一个认识。
同时 JVM 是一个虚拟化的操作系统，类似于 Linux 或者 Windows 的操作系统，只是它架在操作系统上，接收字节码也就是class，把字节码翻译成操作系统上的机器码且进行执行。

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从跨平台到跨语言

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跨平台：我们写的一个类，在不同的操作系统上（Linux、Windows、MacOS 等平台）执行，效果是一样，这个就是 JVM 的跨平台性。为了实现跨平台型，不同操作系统有对应的 JDK 的版本。
https://www.oracle.com/java/technologies/javase/javase-jdk8-downloads.html

Hotspot：目前使用的最多的 Java 虚拟机。在命令行 java –version。它会输出你现在使用的虚拟机的名字、版本等信息、执行模式。

JVM 的内存区域

运行时数据区域

在 JVM 中，JVM 内存主要分为堆、程序计数器、方法区、虚拟机栈和本地方法栈等。同时按照与线程的关系也可以这么划分区域：
按照与线程的关系也可以这么划分区域：
线程私有区域：一个线程拥有单独的一份内存区域。
线程共享区域：被所有线程共享，且只有一份。
这里还有一个直接内存，这个虽然不是运行时数据区的一部分，但是会被频繁使用。你可以理解成没有被虚拟机化的操作系统上的其他内存（比如操作系统上有 8G 内存，被 JVM 虚拟化了 3G，那么还剩余 5G， JVM 是借助一些工具使用这 5G 内存的，这个内存部分称之为直接内存）

![图纲](https://img-blog.csdnimg.cn/20200718154217375.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2J1Z19jb21l,size_16,color_FFFFFF,t_70

JAVA 方法的运行与虚拟机栈

虚拟机栈是线程运行 java 方法所需的数据，指令、返回地址。其实在我们实际的代码中，一个线程是可以运行多个方法的。比如：

public class MethodAndStack {
    public static void main(String[] args) {
        A();
    }
    public static void A(){
        B();
    }
    public static void B(){
        C();
    }
    public static void C(){
        System.out.println("123");
    }
}

这段代码很简单，就是起一个 main 方法，在 main 方法运行中调用 A 方法，A 方法中调用 B 方法，B 方法中运行 C 方法。
我们把代码跑起来，线程 1 来运行这段代码， 线程 1 跑起来，就会有一个对应 的虚拟机栈，同时在执行每个方法的时候都会打包成一个栈帧。比如 main 开始运行，打包一个栈帧送入到虚拟机栈。
C方法运行完了，C 方法出栈，接着 B 方法运行完了，B 方法出栈、接着 A 方法运行完了，A 方法出栈，最后 main 方法运行完了，main 方法这个栈帧就出栈了。
这个就是 Java 方法运行对虚拟机栈的一个影响。虚拟机栈就是用来存储线程运行方法中的数据的。而每一个方法对应一个栈帧。
可以使用jdk编译成.class文件后用javap -c 文件名.class 查看相关详细运行信息。
https://cloud.tencent.com/developer/article/1333540
以上链接可以帮助查看java虚拟机 JVM字节码 指令集

虚拟机栈

栈的数据结构：先进后出(FILO)的数据结构，
虚拟机栈的作用：在 JVM 运行过程中存储当前线程运行方法所需的数据，指令、返回地址。
虚拟机栈是基于线程的：哪怕你只有一个 main() 方法，也是以线程的方式运行的。在线程的生命周期中，参与计算的数据会频繁地入栈和出栈，栈的生命周期是和线程一样的。
虚拟机栈的大小缺省为 1M，可用参数 –Xss 调整大小，例如-Xss256k。
参数官方文档（JDK1.8）：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

栈帧 在每个 Java 方法被调用的时候，都会创建一个栈帧，并入栈。一旦方法完成相应的调用，则出栈。
栈帧大体都包含四个区域：(局部变量表、操作数栈、动态连接、返回地址)

1.局部变量表
顾名思义就是局部变量的表，用于存放我们的局部变量的（方法中的变量）。首先它是一个 32 位的长度，主要存放我们的 Java 的八大基础数据类型，一般 32 位就可以存放下，如果是 64 位的就使用高低位占用两个也可以存放下，如果是局部的一些对象，比如我们的 Object 对象，我们只需要存放它的一个引用地址即可

2.操作数栈
存放 java 方法执行的操作数的，它就是一个栈，先进后出的栈结构，操作数栈，就是用来操作的，操作的的元素可以是任意的 java 数据类型，所以我们知道一个方法刚刚开始的时候，这个方法的操作数栈就是空的。
操作数栈本质上是 JVM 执行引擎的一个工作区，也就是方法在执行，才会对操作数栈进行操作，如果代码不不执行，操作数栈其实就是空的。
3、 动态连接:
Java 语言特性多态（后续章节细讲，需要结合 class 与执行引擎一起来讲）。
4、 返回地址:
正常返回（调用程序计数器中的地址作为返回）、异常的话（通过异常处理器表<非栈帧中的>来确定） 同时，虚拟机栈这个内存也不是无限大，它有大小限制，默认情况下是 1M。
如果我们不断的往虚拟机栈中入栈帧，但是就是不出栈的话，那么这个虚拟机栈就会爆掉。
Exception in thread “main” java.lang.StackOverflowError

程序计数器

较小的内存空间，当前线程执行的字节码的行号指示器；各线程之间独立存储，互不影响。
程序计数器是一块很小的内存空间，主要用来记录各个线程执行的字节码的地址，例如，分支、循环、跳转、异常、线程恢复等都依赖于计数器。由于 Java 是多线程语言，当执行的线程数量超过 CPU 核数时，线程之间会根据时间片轮询争夺 CPU 资源。如果一个线程的时间片用完了，或者是其它原因导致这个线程的 CPU 资源被提前抢夺，那么这个退出的线程就需要单独的一个程序计数器，来记录下一条运行的指令。

本地方法栈

  本地方法栈跟java虚拟机栈的功能类似，java虚拟机栈用于管理java函数的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用，本地方法使用C语言实现。

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方法区

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方法区是可提供各线程共享的运行时内存区域。它存储每一个类的信息结构，例如，运行时常量池、方法名、类名、字面量、字节码等。
jdk1.7称为永久代，jdk1.8使用元空间实现方法区

元空间

   方法区与堆空间类似，也是一个共享内存区，所以方法区是线程共享的。
   java7版本已经将永久代的静态变量和运行时常量池移到了堆中，其余部分分别存储到JVM的非堆内存中。而java8版本已经将方法区中实现的永久代去掉了，并用元空间代替永久代，并且元空间的存储位置是本地内存。

元空间大小参数：
jdk1.7及以前（初始和最大值）：-XX:PermSize; -XX:MaxPermSize;
jdk1.8以后（初始和最大值）：-XX:MetaspaceSize； -xx：MaxMetaspaceSize
jdk1.8以后大小受本机总内存的限制

JDK每次升级都会做很多优化，我们使用最多的String常量类也在不断被优化。这次和大家分享的是JDK1.8中对String的优化之一，intern()方法的使用。就是通过常量池复用来提升性能
我们的常量池就在方法区中，在实际应用中会跟堆区配合使用。平时大家都统称它为常量池，严格划分的话常量池又分为：静态常量池、运行时常量池和字符串常量池。

堆

堆是JVM上最大的内存区域，几乎所有的对象，都是在这里存储。垃圾回收操作对象就是堆。
堆大小参数：

-Xms:堆得最小值
-Xmx：堆得最大值
-Xmn：新生代大小
-XX:NewSize：新生代最小值
-XX:MaxNewSize：新生代最大值
例如： -Xmx256m

直接内存（堆外内存）

   JVM 在运行时，会从操作系统申请大块的堆内存，进行数据的存储；同时还有虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器，这块称之为栈区。操作系统剩余的内存也就是堆外内存。
    它不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是 java 虚拟机规范中定义的内存区域；如果使用了 **NIO**,这块区域会被频繁使用，在 java 堆内可以用**directByteBuffer** 对象直接引用并操作；
     这块内存不受 java 堆大小限制，但受本机总内存的限制，可以通过-XX:MaxDirectMemorySize 来设置（默认与堆内存最大值一样），所以也会出现 OOM 异

常。其他对外内存，主要是使用了Unsafe或者其他JNI手段直接申请的内存。Unsafe类不安全，里面可以手动释放内存，不是jdk自动gc那么方便。

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