JVM（一）——JVM及Java内存模型

一、JRE / JDK / JVM

（1）JRE（Java Runtime Environment，Java运行环境）：运行环境，也就是Java的平台，所有的Java程序都在该平台下运行。

（2）JDK（Java Development Kit，Java开发工具）：程序开发者用来编译、调试Java程序。JDK也是Java程序，需要在JRE上运行。为了保证JDK的独立性，在JDK的安装过程中也需要安装JRE。在JDK目录下有一个目录：jre，也就是JRE相关的包存放在该处。

（3）JVM（Java Virtual Machinel，Java虚拟机）：是JRE的一部分，是一个虚拟出来的计算机。在该虚拟计算机上模拟出Java的运行环境：堆、栈……及指令系统。

——虚拟机：

虚拟机指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。如VMWare、VisualBox、JVM。

区别：

VMWare和VisualBox是使用软件模拟物理CPU的指令集，显示的系统。

JVM使用软件模拟Java字节码的指令及，只是单纯的软件模拟硬件，在现实中并没有这样一台机器。

二、JVM虚拟机的生命周期

（1）虚拟机产生的起点：

Java虚拟机实例通过调用某个初始化类的特殊（main()）方法：这个方法必须是共有的（public），无返回值的（void），静态的（static），并且可以接受一个字符串的数组作为参数（String[] args）。

如果方法名不是main是否可以实例化虚拟机？？

（2）虚拟机结束点：

main()方法执行结束。System.exit()也可以使虚拟机结束。线程、内存空间部分区域（堆）也会进行划分。

三、JVM运行机制

（1）JVM启动流程

<1>使用java + 启动类命令启动JVM。

<2>装载配置：在当前路径中寻找跟系统版本匹配的配置文件。

<3>根据配置文件寻找JVM.dll（JVM的主要实现）：初始化JVM，获得JNIEnv接口。JNIEvn接口提供了大量JVM交互操作，例如查找一个类。

<4>找到main()方法。

（2）JVM内部结构

<1>PC寄存器：

每一个线程拥有一个PC寄存器，当线程开始时会分配一个PC寄存器，总是指向下一条指令的地址，执行本地方法时PC的值为未定义的（undefined）。

<2>方法区：

保存装载的类的信息，包括类型常量池、字段、方法信息、方法字节码。

永久区（Perm）：保存相对静止、相对稳定的数据。

<3>堆：

和程序开发密切相关。应用系统对象都保存在堆中，所有线程共享Java堆。

不同的GC对应不同的堆，对分代GC来说，堆也是分代的。

GC的主要工作区间：

<4>栈：

线程私有的。栈是由一系列帧组成的，也叫帧栈。帧放一个方法的局部变量、操作数栈、常量池指针。每一次方法调用创建一个帧，并压入栈中。

局部变量表：包含函数的参数和局部变量。

栈溢出？

Java没有寄存器，所有的参数调用都使用操作数栈。

栈上分配：new的对象都存放在堆上，在使用结束之后存在回收问题。在函数中至声明一个对象则是在栈上分配，不会出现内存泄漏。小对象在没有逃逸の情况下直接分配在栈上，可以自动回收，减轻GC压力。大对象或者逃逸对象无法分配在栈上。

<5>本地方法栈

（3）栈、堆、方法区的交互

（*问题）

为了能让递归函数调用的次数更多一些，方法应该怎么做？

为了让 JVM 中递归函数能够调用更多的次数，可以考虑以下几种方法：

1. 优化递归算法：尝试将递归转换为迭代，或者使用尾递归优化（如果编程语言支持）。尾递归是指在函数的最后一步操作中进行递归调用，这样可以减少栈空间的消耗。
2. 增加栈空间大小：通过 JVM 参数来增加线程的栈空间大小。例如，使用 -Xss 参数可以指定线程栈的大小，但要注意不要设置得过大，以免导致内存浪费。
3. 避免不必要的对象创建和数据存储：在递归函数内部，尽量减少创建新的对象或者存储大量的数据，以降低内存占用。
4. 分治策略：将问题分解为更小的子问题，每次递归只处理一部分，而不是一次性处理整个问题。
5. 缓存中间结果：如果在递归过程中存在重复计算的部分，可以使用缓存来存储已经计算过的结果，避免重复计算。

例如，如果是计算斐波那契数列的递归函数，可以使用一个缓存数组来存储已经计算过的斐波那契数，避免每次递归都重新计算。

需要注意的是，过度的递归可能会导致性能问题和栈溢出错误，在实际应用中要谨慎使用，并根据具体情况选择合适的优化策略。

四、Java内存模型

每一个线程有一个工作内存和主内存。工作内存存放主存中变量值的拷贝。

当数据从主内存中复制到工作存储时，必须出现两个操作：

（1）由主内存执行读（read）操作。

（2）由工作内存执行相应的load操作。

当数据从工作内存拷贝到主内存时，也出现两个操作：

（1）由工作内存执行存储（store）操作。

（2）由主内存执行相应的写（write）操作。

每一个操作都是源自的，即执行期间不会中断。对于普通变量，一个线程中更新的值不能马上反应在其他变量中。如果需要早其他线程中立即可见，需要使用volatile关键字。

（*问题）线程内存、本地内存、主内存的联系？

五、volatile关键字

一般认为volatile比锁（重量级锁）性能好（不绝对，锁的优化）。选择使用volatile的条件是：语义是否满足应用。

（1）可见性：

一个线程修改了变量，其他线程可以立即知道。

（*）保证可见性的方法

（1）volatile

（2）synchronized——（unlock之前写变量值回主内存）

（3）final——（一旦初始化完成，其他线程就可见）

（2）有序性

在一个线程内，操作都是有序的。

在线程之外观察，操作都是无序的（指令重排或者主内存同步延时）。

（3）指令重排

破坏线程间的有序性。

编译器不考虑多线程间的语义：可重拍、不可重排。

保证有序性的方法：synchronized

（*）指令重排的基本原则

（1）程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性。

（2）volatile规则：volatile变量的写，先发生于读。

（3）锁规则：解锁必然发生在随后的加锁前。

（4）传递性：A先于B，B先于C，那么A必然先于C。

（5）线程的start()方法优先于它的每一个动作。

（6）线程的所有操作优先于线程的终结（Thread.join()）。

（7）线程的中断（interrept()）先于被中断线程的代码。

（8）对象的构造函数执行结束先于finalize()方法。

六、字节码（bytecode）运行的两种方式

（1）解释运行：读一句执行一句。

（2）编译运行（JIT）：将字节码编译成机器码，直接执行机器码，即运行时编译。

编译运行编译后性能有数量级的提升，一般是10倍以上。