什么是JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫，是一個虛構(gòu)出來的計算機，它屏蔽了與具體操作系統(tǒng)平臺相關(guān)的信息，使得Java程序只需生成在Java虛擬機上運行的目標(biāo)代碼（字節(jié)碼，ByteCode）, 就可以在多種平臺上不加修改地運行。這背后其實就是JVM把字節(jié)碼翻譯成具體平臺上的機器指令，從而實現(xiàn)“一次編寫，到處運行（Write Once, Run Anywhere）”。
Java為什么能夠跨平臺？
Java引入了字節(jié)碼的概念，jvm 只能認(rèn)識字節(jié)碼，并將它們解釋到系統(tǒng)的API調(diào)用。針對不同的系統(tǒng)有不同的jvm實現(xiàn)，有 Linux 版本的 jvm 實現(xiàn)，也有 Windows 版本的 jvm 實現(xiàn)，但是同一段代碼在編譯后的字節(jié)碼是一樣的。在不同的系統(tǒng)平臺上運行是通過JAVA解釋器將字節(jié)碼解釋為不同平臺的機器碼，在不同的 jvm 實現(xiàn)上會映射到不同系統(tǒng)的 API 調(diào)用，從而實現(xiàn)代碼的不加修改即可跨平臺運行。

JVM、JRE、JDK的關(guān)系

1. JRE（Java Runtime Environment，Java運行環(huán)境），面向Java程序的使用者，而不是開發(fā)者。JRE是運行Java程序所必須環(huán)境的集合，包含JVM標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)及 Java核心類庫。它包括Java虛擬機、Java平臺核心類和支持文件
2. JDK(Java Development Kit,Java開發(fā)工具包),包括了Java運行環(huán)境(JRE)，并提供了一堆Java工具tools.jar和Java標(biāo)準(zhǔn)類庫 (rt.jar)

三者的關(guān)系是：JDK>JRE>JVM

java虛擬機運行原理

按照階段分為兩個階段：
編譯階段：當(dāng)我們將一個.java的文件進(jìn)行編譯，編譯程序會生成一個相同名字而后綴為.class的文件。
運行階段主要分為以下步驟:

JVM加載流程.jpg

1. 加載

   • 通過一個類的全限定名來獲取該類的二進(jìn)制字節(jié)流
   • 將這個字節(jié)流的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)運行時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
   • 在內(nèi)存堆中生成一個代表該類的java.lang.Class對象，作為該類數(shù)據(jù)的訪問入口

2. 驗證
   驗證、準(zhǔn)備、解析這三步可以看做是一個連接的過程，將類的字節(jié)碼連接到JVM的運行狀態(tài)之中
   驗證是為了確保Class文件的字節(jié)流中包含的信息符合當(dāng)前虛擬機的要求，不會威脅到j(luò)vm的安全，主要包括以下幾個方面的驗證:

   • 文件格式的驗證，驗證字節(jié)流是否符合Class文件的規(guī)范，是否能被當(dāng)前版本的虛擬機處理
   • 元數(shù)據(jù)驗證，對字節(jié)碼描述的信息進(jìn)行語義分析，確保符合java語言規(guī)范
   • 字節(jié)碼驗證 通過數(shù)據(jù)流和控制流分析，確定語義是合法的，符合邏輯的
   • 符號引用驗證 這個校驗在解析階段發(fā)生

3. 準(zhǔn)備
   為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存，初始化為系統(tǒng)的初始值。對于final static修飾的變量，直接賦值為用戶的定義值。如下面的例子：這里在準(zhǔn)備階段過后的初始值為0，而不是7

   public static int a=7
   

4. 解析

   解析是將常量池內(nèi)的符號引用轉(zhuǎn)為直接引用（如物理內(nèi)存地址指針）

5. 初始化

   到了初始化階段，jvm才真正開始執(zhí)行類中定義的java代碼
   1）初始化階段是執(zhí)行類構(gòu)造器<clinit>()方法的過程。類構(gòu)造器<clinit>()方法是由編譯器自動收集類中的所有類變量的賦值動作和靜態(tài)語句塊(static塊)中的語句合并產(chǎn)生的。
   2）當(dāng)初始化一個類的時候，如果發(fā)現(xiàn)其父類還沒有進(jìn)行過初始化、則需要先觸發(fā)其父類的初始化。
   3）虛擬機會保證一個類的<clinit>()方法在多線程環(huán)境中被正確加鎖和同步。

JVM內(nèi)存分區(qū)

JAVA內(nèi)存分區(qū).png

1. 程序計數(shù)器

   程序計數(shù)器（Progarm Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，它可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼行號指示器。在JVM中，通過程序計數(shù)器來記錄某個線程的字節(jié)碼執(zhí)行位置，或者說記錄下一條要運行的指令。程序計數(shù)器是具備線程隔離的特性，也就是說，每個線程工作時都有屬于自己的獨立計數(shù)器，互不影響，是一塊線程私有的內(nèi)存空間。
   如果當(dāng)前正在執(zhí)行的是一個java方法，程序計數(shù)器會記錄正在執(zhí)行的java字節(jié)碼地址；如果正在執(zhí)行的是native方法，則程序計數(shù)器為空。

2. Java虛擬機棧

   java虛擬機棧是線程私有的內(nèi)存空間，它用來保存方法的局部變量、部分結(jié)果，并參與方法的調(diào)用和返回。

   
   
   棧幀結(jié)構(gòu).png

   虛擬機棧在運營師采用棧幀來保存數(shù)據(jù)，棧幀中主要有局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接地址、返回地址等信息。每一個方法的調(diào)用都伴隨著棧幀的入棧操作，相應(yīng)的，方法的返回則對應(yīng)著棧幀的出戰(zhàn)操作。

   和java棧相關(guān)的兩個異常：

   1. StackOverFlowError

      在線程的計算過程中，如果請求的棧的深度大于最大可用的棧深度，則拋出改異常。
      

   2. OutOfMemoryError

      如果java的?？梢詳U展，在程序運行過程中，沒有足夠的內(nèi)存來支撐程序的擴展，則拋出該異常。
      

3. 本地方法棧
   本地方法棧和java虛擬機棧功能類似，本地方法棧主要管理本地方法棧的調(diào)用，一般是指有C實現(xiàn)的。和java虛擬機棧一樣會拋出StackOverFlowError和OutOfMemoryError異常

4. 方法區(qū)

   方法區(qū)是java內(nèi)存區(qū)域中比較重要的一部分，主要保存的信息是元數(shù)據(jù)。其中最為重要的是類的類型信息、常量池、域信息、方法信息。

5. Java堆
   Java堆可以說是Java運行時內(nèi)存中最為重要的一部分，幾乎所有的對象和數(shù)據(jù)都是在堆中分配空間的。Java堆分為新生代和老年代兩個部分，新生代用于存放剛剛產(chǎn)生的對象，如果對象一直沒有被回收，生存的足夠長，老年對象就會被移入老年代。
   新生代又可以細(xì)分為eden、surivor space0（s0或者from space）和surivor space1（s1或者To space）。eden存放剛剛創(chuàng)建的對象，s0和s1存放的對象至少經(jīng)歷了一次垃圾回收，等幸存下來。如果幸存去的對象到了指定年齡仍未被回收，就會進(jìn)入老年代。
   持久代：Permanent Generation。在Sun的JVM中就是方法區(qū)的意思，盡管有些JVM大多沒有這一代。主要存放常量及類的一些信息默認(rèn)最小值為16MB，最大值為64MB

   
   
   堆內(nèi)存結(jié)構(gòu).jpg

垃圾收集算法

• Mark-Sweep（標(biāo)記-清除）算法
  分為“標(biāo)記”和“清除”兩個階段：首先標(biāo)記出所有需要回收的對象，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對象。

  
  
  標(biāo)記清除算法.png
  • 缺點：空間問題，標(biāo)記清除之后會產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，空間碎片太多可能會導(dǎo)致以后在程序運行過程中需要分配較大對象時，無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾收集動作；
  • 優(yōu)點：簡單快速

• Copying（復(fù)制）算法

  
  
  復(fù)制算法.png

  它將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當(dāng)這一塊的內(nèi)存用完了，就將還存活著的對象復(fù)制到另外一塊上面，然后再把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉。

  • 缺點：內(nèi)存使用率只有一半
  • 優(yōu)點：不會產(chǎn)生碎片

• Mark-Compact（標(biāo)記-整理）算法
  標(biāo)記過程仍然與“標(biāo)記-清除”算法一樣，但后續(xù)步驟不是直接對可回收對象進(jìn)行清理，而是讓所有存活的對象都向一端移動，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存，

  
  
  標(biāo)記整理算法.png

• 分代收集算法
  當(dāng)前商業(yè)虛擬機的垃圾收集都采用“分代收集”（Generational Collection）算法，根據(jù)對象存活周期的不同將內(nèi)存劃分為幾塊并采用不用的垃圾收集算法。
  一般是把 Java 堆分為新生代和老年代，這樣就可以根據(jù)各個年代的特點采用最適當(dāng)?shù)氖占惴?。在新生代中，每次垃圾收集時都發(fā)現(xiàn)有大批對象死去，只有少量存活，那就選用復(fù)制算法，只需要付出少量存活對象的復(fù)制成本就可以完成收集。而老年代中因為對象存活率高、沒有額外空間對它進(jìn)行分配擔(dān)保，就必須使用“標(biāo)記—清理”或者“標(biāo)記—整理”算法來進(jìn)行回收。

垃圾收集器

• Serial收集器

  
  
  串行收集器.png
  
  

  新生代收集器，使用停止復(fù)制算法，使用一個線程進(jìn)行GC，串行，其它工作線程暫停。

• ParNew收集器

  
  
  ParNew收集器.png

  新生代收集器，使用停止復(fù)制算法，Serial收集器的多線程版，用多個線程進(jìn)行GC，并行，其它工作線程暫停，關(guān)注縮短垃圾收集時間。

• Parallel Scavenge 收集器
  新生代收集器，使用停止復(fù)制算法，關(guān)注CPU吞吐量，即運行用戶代碼的時間/總時間，比如：JVM運行100分鐘，其中運行用戶代碼99分鐘，垃 圾收集1分鐘，則吞吐量是99%，這種收集器能最高效率的利用CPU，適合運行后臺運算（關(guān)注縮短垃圾收集時間的收集器，如CMS，等待時間很少，所以適 合用戶交互，提高用戶體驗）。

• Serial Old收集器

  
  
  serial old.png
  
  

  老年代收集器，單線程收集器，串行，使用標(biāo)記整理（整理的方法是Sweep（清理）和Compact（壓縮），清理是將廢棄的對象干掉，只留幸存的對象，壓縮是將移動對象，將空間填滿保證內(nèi)存分為2塊，一塊全是對象，一塊空閑）算法，使用單線程進(jìn)行GC，其它工作線程暫停（注意，在老年代中進(jìn)行標(biāo)記整理算法清理，也需要暫停其它線程），在JDK1.5之前，Serial Old收集器與ParallelScavenge搭配使用。

• Parallel Old收集器

  
  
  Parallel Old收集器.png

  老年代收集器，多線程，并行，多線程機制與Parallel Scavenge差不錯，使用標(biāo)記整理（與Serial Old不同，這里的整理是Summary（匯總）和Compact（壓縮），匯總的意思就是將幸存的對象復(fù)制到預(yù)先準(zhǔn)備好的區(qū)域，而不是像Sweep（清理）那樣清理廢棄的對象）算法，在Parallel Old執(zhí)行時，仍然需要暫停其它線程。Parallel Old在多核計算中很有用。Parallel Old出現(xiàn)后（JDK 1.6），與Parallel Scavenge配合有很好的效果，充分體現(xiàn)Parallel Scavenge收集器吞吐量優(yōu)先的效果。

• cms（concurrent mark sweep）收集器

  
  
  CMS收集器.png

  老年代收集器，致力于獲取最短回收停頓時間（即縮短垃圾回收的時間），使用標(biāo)記清除算法，多線程，優(yōu)點是并發(fā)收集（用戶線程可以和GC線程同時工作），停頓小。使用-XX:+UseConcMarkSweepGC進(jìn)行ParNew+CMS+Serial Old進(jìn)行內(nèi)存回收，優(yōu)先使用ParNew+CMS（原因見后面），當(dāng)用戶線程內(nèi)存不足時，采用備用方案Serial Old收集。

• G1收集器

  
  
  G1收集器.png

  1. 初始標(biāo)記階段僅僅只是標(biāo)記一下 GC Roots 能直接關(guān)聯(lián)到的對象，并且修改 TAMS（Next Top at Mark Start）的值，讓下一階段用戶程序并發(fā)運行時，能在正確可用的 Region 中創(chuàng)建新對象，這階段需要停頓線程，但耗時很短。

  2. 并發(fā)標(biāo)記階段是從 GC Root 開始對堆中對象進(jìn)行可達(dá)性分析，找出存活的對象，這階段耗時較長，但可與用戶程序并發(fā)執(zhí)行。

  3. 而最終標(biāo)記階段則是為了修正在并發(fā)標(biāo)記期間因用戶程序繼續(xù)運作而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動的那一部分標(biāo)記記錄，虛擬機將這段時間對象變化記錄在線程 Remembered Set Logs 里面，最終標(biāo)記階段需要把 Remembered Set Logs 的數(shù)據(jù)合并到 Remembered Set 中，這階段需要停頓線程，但是可并行執(zhí)行。

  4. 最后在篩選回收階段首先對各個 Region 的回收價值和成本進(jìn)行排序，根據(jù)用戶所期望的 GC 停頓時間來制定回收計劃，從Sun公司透露出來的信息來看，這個階段其實也可以做到與用戶程序一起并發(fā)執(zhí)行，但是因為只回收一部分 Region，時間是用戶可控制的，而且停頓用戶線程將大幅提高收集效率。通過下圖可以比較清楚地看到G1收集器的運作步驟中并發(fā)和需要停頓的階段。