走进Java 虚拟机

本文部分内容直接摘自 周志明的深入理解Java 虚拟机 第三版
JVM是什么？和JDK,JRE有什么关系？
百度百科解释：虚拟机是一种抽象化的计算机，通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java 虚拟机有自己完善的硬体架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。Java虚拟机屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使得 Java 程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。

首先需要确定的是JDK里是包含JRE的，而JRE里又包含JVM，它们区别在于面向的服务对象不同所以进行了不同的包装。
JVM：JVM是面向操作系统的，它负责把程序运行编译成的.Class字节码解释成系统所能识别的指令并执行，同时也负责程序运行的内存的管理。

JRE：JRE是是面向于程序的，JRE对JVM进行了一层包装，它除了提供JVM的功能之前，还提供了一套语言需要编译成Class后在JVM内运行所依赖环境（比如说 String.class、Object.class等这种运行时必须依赖的对象）。

JDK：JDK是面向更上层的开发人员，JDK在JRE的基础上又进行了一层包装，它除了提供运行功能之外，还对开发人员提供了一套常用的开发工具和类库，来方便开发人员写代码（比如说方便部署的编译工具，方便开发的工具类等）。

JVM的工作流程？
一个java文件从编码到执行需要经过下面几个阶段

1、编译阶段：首先.java经过javac编译成.class文件
2、加载阶段：然后.class文件经过类的加载器加载到JVM内存。
3、解释阶段：class字节码经过字节码解释器解释成系统可识别的指令码。
4、执行阶段：系统再向硬件设备发送指令码执行操作。

本文主要内容就是从 Java 内存区域即 Java 虚拟机的运行时数据区域来走进Java虚拟机
  Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些数据区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java 虚拟机规范》的规定，Java 虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行是数据区域

1.程序计数器

程序计数器（Programma Counter Register） 是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在Java 虚拟机的概念模型里（它代表了所有虚拟机的统一外观，但各款具体的Java 虚拟机并不一定是完全按照概念模型的定义来进行设计，可能会通过一些更高效率的等价方式去实现它），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（当然对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立储存，我们称这内内存区域为线程私有的内存（不会和其他区域共享）。

如果线程正在执行的是一个Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址，如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则对应为空。此内存区域是唯一一个在《Java 虚拟机规范》中没有任何规定OutOfMemoryError情况的区域。

2.Java 虚拟机栈

与程序计数器一样，Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java 方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java 虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。

经常有人把Java 内存区域笼统的分为堆内存和栈内存，这种划分方式直接继承自传统的C、C++程序的内存布局结构，在Java 语言里就显得有些粗糙了，实际的内存区域划分要比这更复杂。不过这种划分方式的流行也间接说明了程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的区域是 “堆” ， “栈” 两块。其中，“堆” 可以先看一下图，后面在介绍，而 “栈” 通常就是指这里讲的虚拟机栈，或者更多情况下只是指虚拟机栈中局部变量表。

局部变量表存放了编译器可知的各种Java 虚拟机基本数据类型（Java 八大基本数据类型），对象引用类型（reference 类型 ，它并不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和 return Address类型（指向了一条字节码指令地址）。

这些数据类型在局部变量表中的储存空间以局部变量槽来表示，其中64bit 长度的 long 和 double 类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只会占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。这里说的大小是指变量槽的数量，虚拟机真正使用多大的内存空间来实现一个变量槽，这是完全由具体的虚拟机来实现自行决定是事情。

在《Java 虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常状况：如果线程请i去的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverFlowError 异常；如果Java 虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError 异常。

3.本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到本地（Native）方法服务。

《Java 虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言，使用方式与数据结构并没有任何强制规定，因此具体的虚拟机可以根据需要自由的实现它，甚至有的Java 虚拟机（Hot-Spot）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverFlowError 和OutOfMemoryError 异常。

4.Java 堆

对于Java 应用程序来说，Java 堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java 堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域唯一的目的就是存放对象实例，Java 世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。在《Java 虚拟机规范》中对Java 对的描述是：“ 所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配”。

Java 堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此一些资料中它也被称作 “GC堆”。从回收内存的角度来看，由于现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的，所以Java 堆中经常会出现 “新生代”，“老年代”，“永久代”，“Eden区”，“From区”，“To区”等名词，这些区域划分仅仅是一部分垃圾收集器的共同特性或者说设计风格而已，而非某个Java 虚拟机具体实现的固有内存布局，更不是《Java 虚拟机规范》里对Java 堆的进一步细致划分。

如果从分配内存的角度看，所有线程共享的Java 堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区，以提升对象分配时的效率。不过无论从什么角度，无论如何划分，都不会改变Java 堆中存储内容的共性，无论时哪个区域，存储的都只能是对象的实例，将Java 堆细分的目的只是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

根据《Java 虚拟机规范》，Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的，这点就像我们用磁盘空间去存储文件一样，并不要求每个文件都连续存放。但对于大对象（典型的如数组对象），多数虚拟机实现出于实现简单、存储高效的考虑，很有可能会要求连续的内存空间。

Java 堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java 虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数 -Xmx 和 -Xms 设定）。如果在Java 堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java 虚拟机将会抛出OutOfMemoryError 异常。

5.方法区

方法区与Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，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数据。虽然《Java 虚拟机规范》中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作 “非堆”，目的是与Java 堆区分开来（图中还表示永久代，已废除）。jdk7 以后，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量移出，jdk8 以后，在本地内存中实现了原空间（Mate-Space）来代替，把jdk7中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中（oop-klass 模型）。

《Java 虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的，除了和Java 堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展以外，甚至还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域的却是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。

根据《Java 虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError 异常。

补充-运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

Java 虚拟机对于class 文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格规定，如每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、加载和执行，但对于运行时常量池，《Java 虚拟机规范》并没有做任何细节要求，不同提供商实现的虚拟机可以按照自己的需求来实现这个内存区域，不过一般来说，除了保存class 文件中描述的符号引用（这个符号指向常量池中的另外一个常量，而这个常量也有可能再次指向另外一个常量，运行完如对象实例会变成直接引用，即内存地址）外，还会把由符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

运行时常量池相对于class 文件常量池的另外一个重要特征时是具备动态性，Java 语言并不要求常量一定只有在编译期才能产生，也就是说，并非预置入class 文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用的比较多的便是String 类的intern（）方法。

既然运行时常量池作为方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再次申请到内存时会抛出OutOfMemoryError 异常。

小知识1：Java6和6之前，常量池是存放在方法区（永久代）中的。Java7，将常量池是存放到了堆中。Java8之后，取消了整个永久代区域，取而代之的是元空间。运行时常量池和静态常量池存放在元空间中，而字符串常量池依旧存放在堆中。

小知识2：通常系统发生OOM的情况就是对象在创建的过程中垃圾收集器来不及回收，导致越来越多的对象无法回收，那么堆内存的消耗就会越来越大（指堆内存里面的新生代的Eden区），当Eden区的内存空间占满发生溢出时，会开始占用另外的From区内存空间，如果From区的内存空间被占满发生溢出时，会再继续占用To区的内存空间，如果对象还是来不及回收，在占满To区后（Young GC），会开始占用老年代的内存空间，当老年代的内存空间被占满（Full GC）后就会发生OOM的情况了。