JAVA虛擬機(jī)(JVM)系列：
JAVA虛擬機(jī)(JVM)一：了解JAVA體系結(jié)構(gòu)
JAVA虛擬機(jī)(JVM)二：JVM工作原理
JAVA虛擬機(jī)(JVM)三：類加載器子系統(tǒng)
JAVA虛擬機(jī)(JVM)四：JMM(Java內(nèi)存模型)
JAVA虛擬機(jī)(JVM)五：JVM執(zhí)行引擎
……

JAVA虛擬機(jī)(JVM)實(shí)戰(zhàn)一：Docker容器環(huán)境下編譯OpenJDK11

一、前言

大家都知道，Java語言的一個(gè)非常重要的特點(diǎn)就是與平臺的無關(guān)性。而使用Java虛擬機(jī)是實(shí)現(xiàn)這一特點(diǎn)的關(guān)鍵。一般的高級語言如果要在不同的平臺上運(yùn)行，至少需要編譯成不同的目標(biāo)代碼。而引入Java語言虛擬機(jī)后，Java語言在不同平臺上運(yùn)行時(shí)不需要重新編譯。Java語言使用Java虛擬機(jī)屏蔽了與具體平臺相關(guān)的信息，使得Java語言編譯程序只需生成在Java虛擬機(jī)上運(yùn)行的目標(biāo)代碼（字節(jié)碼），就可以在多種平臺上不加修改地運(yùn)行。Java虛擬機(jī)在執(zhí)行字節(jié)碼時(shí)，把字節(jié)碼解釋成具體平臺上的機(jī)器指令執(zhí)行。這就是Java的能夠“一次編譯，到處運(yùn)行”的原因。

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機(jī)）的縮寫，JVM是一種用于計(jì)算設(shè)備的規(guī)范，它是一個(gè)虛構(gòu)出來的計(jì)算機(jī)，是通過在實(shí)際的計(jì)算機(jī)上仿真模擬各種計(jì)算機(jī)功能來實(shí)現(xiàn)的。

所以，JVM是JAVA的重中之重，作為一個(gè)JAVA系的開發(fā)者，必須要對JVM有深刻的理解，才能寫出高效的JAVA程序。故本人一直想對JVM做一次深入的學(xué)習(xí)，那么現(xiàn)在就開始吧。

前提:本文講的基本都是以Sun HotSpot虛擬機(jī)為基礎(chǔ)的

本節(jié)是為寫一系列JVM文章做準(zhǔn)備，因?yàn)?，講JVM之前必須要學(xué)習(xí)了解JAVA的體系結(jié)構(gòu)，才能搞清楚前因后果，來龍去脈。只有這樣體系的學(xué)習(xí)，才是有效的學(xué)習(xí)方法，否則肯定是一知半解，理解不透徹，說不定看完的就忘記了。

很多人都在用Java，但對Java的體系結(jié)構(gòu)并不是很了解，最近也是想了解JVM的相關(guān)知識，才開始關(guān)注這方面的內(nèi)容，做了一些筆記，摘抄給大家共同學(xué)習(xí)。

二、JAVA體系結(jié)構(gòu)

說起Java，人們首先想到的是Java編程語言，然而事實(shí)上，Java是一種技術(shù)，它由四方面組成：

Java編程語言、
Java類文件格式、
Java虛擬機(jī)
Java應(yīng)用程序接口(Java API)。

它們的關(guān)系如下圖所示：

JAVA體系結(jié)構(gòu).png

運(yùn)行期環(huán)境代表著Java平臺，開發(fā)人員編寫Java代碼(.java文件)，然后將之編譯成字節(jié)碼(.class文件)，再然后字節(jié)碼被裝入內(nèi)存，一旦字節(jié)碼進(jìn)入虛擬機(jī)，它就會被解釋器解釋執(zhí)行，或者是被即時(shí)代碼發(fā)生器有選擇的轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼執(zhí)行。

Java平臺由Java虛擬機(jī)和Java應(yīng)用程序接口搭建，Java語言則是進(jìn)入這個(gè)平臺的通道，用Java語言編寫并編譯的程序可以運(yùn)行在這個(gè)平臺上。這個(gè)平臺的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

JAVA平臺結(jié)構(gòu).png

在Java平臺的結(jié)構(gòu)中, 可以看出，Java虛擬機(jī)(JVM) 處在核心的位置，是程序與底層操作系統(tǒng)和硬件無關(guān)的關(guān)鍵。它的下方是移植接口，移植接口由兩部分組成：適配器和Java操作系統(tǒng), 其中依賴于平臺的部分稱為適配器；JVM 通過移植接口在具體的平臺和操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)；在JVM 的上方是Java的基本類庫和擴(kuò)展類庫以及它們的API， 利用Java API編寫的應(yīng)用程序(application) 和小程序(Java applet) 可以在任何Java平臺上運(yùn)行而無需考慮底層平臺, 就是因?yàn)橛蠮ava虛擬機(jī)(JVM)實(shí)現(xiàn)了程序與操作系統(tǒng)的分離，從而實(shí)現(xiàn)了Java 的平臺無關(guān)性。

JVM在它的生存周期中有一個(gè)明確的任務(wù)，那就是運(yùn)行Java程序，因此當(dāng)Java程序啟動(dòng)的時(shí)候，就產(chǎn)生JVM的一個(gè)實(shí)例；當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束的時(shí)候，該實(shí)例也跟著消失了。

三、一些JAVA基本概念

既然JVM那么重要，下面我們降深入的研究JVM，弄懂它的工作原理。但，此前，我們很有必要先了解一些JAVA的基本概念。

1、什么是JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機(jī)）的縮寫，JVM是一種用于計(jì)算設(shè)備的規(guī)范，它是一個(gè)虛構(gòu)出來的計(jì)算機(jī)，是通過在實(shí)際的計(jì)算機(jī)上仿真模擬各種計(jì)算機(jī)功能來實(shí)現(xiàn)的。Java虛擬機(jī)包括一套字節(jié)碼指令集、一組寄存器、一個(gè)棧、一個(gè)垃圾回收堆和一個(gè)存儲方法域。 JVM屏蔽了與具體操作系統(tǒng)平臺相關(guān)的信息，使Java程序只需生成在Java虛擬機(jī)上運(yùn)行的目標(biāo)代碼（字節(jié)碼）,就可以在多種平臺上不加修改地運(yùn)行。JVM在執(zhí)行字節(jié)碼時(shí)，實(shí)際上最終還是把字節(jié)碼解釋成具體平臺上的機(jī)器指令執(zhí)行。

2、JRE/JDK/JVM是什么關(guān)系

JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java運(yùn)行環(huán)境)，也就是Java平臺。所有的Java 程序都要在JRE下才能運(yùn)行。普通用戶只需要運(yùn)行已開發(fā)好的java程序，安裝JRE即可。

JDK(Java Development Kit)：是程序開發(fā)者用來來編譯、調(diào)試java程序用的開發(fā)工具包。JDK的工具也是Java程序，也需要JRE才能運(yùn)行。為了保持JDK的獨(dú)立性和完整性，在JDK的安裝過程中，JRE也是 安裝的一部分。所以，在JDK的安裝目錄下有一個(gè)名為jre的目錄，用于存放JRE文件。

JVM(JavaVirtualMachine，Java虛擬機(jī))：是JRE的一部分。它是一個(gè)虛構(gòu)出來的計(jì)算機(jī)，是通過在實(shí)際的計(jì)算機(jī)上仿真模擬各種計(jì)算機(jī)功能來實(shí)現(xiàn)的。JVM有自己完善的硬件架構(gòu)，如處理器、堆棧、寄存器等，還具有相應(yīng)的指令系統(tǒng)。Java語言最重要的特點(diǎn)就是跨平臺運(yùn)行。使用JVM就是為了支持與操作系統(tǒng)無關(guān)，實(shí)現(xiàn)跨平臺。

3、數(shù)據(jù)類型

Java虛擬機(jī)中，數(shù)據(jù)類型可以分為兩類：

primitive types（原生類型）
reference types（引用類型）

3.1 primitive types（原生類型）

primitive types（原生類型），保存原始值，即：他代表的值就是數(shù)值本身。

原生類型包括：

Numeric Types(數(shù)值類型)：

byte（1 byte）
short，char（2 bytes）
int，float（4 bytes）
long，double（8 bytes）

Boolean Type(布爾類型)

boolean（1 byte）

returnAddress 類型

returnAddress 類型

returnAddress 類型的值是指向字節(jié)碼的指針。

不管是物理機(jī)還是虛擬機(jī)，運(yùn)行時(shí)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)總歸可分為兩類：代碼，數(shù)據(jù)。對于 JVM 來說，程序就是存儲在方法區(qū)的字節(jié)碼指令，而 returnAddress 類型的值就是指向特定指令內(nèi)存地址的指針。

JVM支持多線程，每個(gè)線程有自己的程序計(jì)數(shù)器（pc register），而 pc 中的值就是當(dāng)前指令所在的內(nèi)存地址，即 returnAddress 類型的數(shù)據(jù)，當(dāng)線程執(zhí)行 native 方法時(shí)，pc 中的值為 undefined。

3.2 reference types（引用類型）

reference types（引用類型），讓 JVM 能更好的支持于面向?qū)ο笳Z言的設(shè)計(jì)，它存儲的是存引用值，引用值用來指向內(nèi)存中分配的類實(shí)例或者數(shù)組，而非對象或數(shù)組本身，對象本身存放在這個(gè)引用值所表示的地址的位置。

引用類型包括：

類類型
接口類型
數(shù)組

4、對象引用類型

對象引用類型分為

強(qiáng)引用：就是我們一般聲明對象時(shí)虛擬機(jī)生成的引用，強(qiáng)引用環(huán)境下，垃圾回收時(shí)需要嚴(yán)格判斷當(dāng)前對象是否被強(qiáng)引用，如果被強(qiáng)引用，則不會被垃圾回收。

軟引用：軟引用一般被做為緩存來使用。與強(qiáng)引用的區(qū)別是，軟引用在垃圾回收時(shí)，虛擬機(jī)會根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的剩余內(nèi)存來決定是否對軟引用進(jìn)行回收。如果剩余內(nèi)存比較緊張，則虛擬機(jī)會回收軟引用所引用的空間；如果剩余內(nèi)存相對富裕，則不會進(jìn)行回收。換句話說，虛擬機(jī)在發(fā)生OutOfMemory時(shí)，肯定是沒有軟引用存在的。

弱引用：弱引用與軟引用類似，都是作為緩存來使用。但與軟引用不同，弱引用在進(jìn)行垃圾回收時(shí)，是一定會被回收掉的，因此其生命周期只存在于一個(gè)垃圾回收周期內(nèi)。

虛引用：顧名思義，就是形同虛設(shè)，與其他幾種引用都不同，虛引用并不會決定對象的生命周期。如果一個(gè)對象僅持有虛引用，那么它就和沒有任何引用一樣，在任何時(shí)候都可能被垃圾回收。

強(qiáng)引用不用說，我們系統(tǒng)一般在使用時(shí)都是用的強(qiáng)引用。

軟引用和弱引用比較少見，他們一般被作為緩存使用，而且一般是在內(nèi)存大小比較受限的情況下做為緩存。因?yàn)槿绻麅?nèi)存足夠大的話，可以直接使用強(qiáng)引用作為緩存即可，同時(shí)可控性更高。因而，他們常見的是被使用在桌面應(yīng)用系統(tǒng)的緩存。

虛引用主要用來跟蹤對象被垃圾回收的活動(dòng)。

虛引用與軟引用和弱引用的一個(gè)區(qū)別在于：虛引用必須和引用隊(duì)列（ReferenceQueue）聯(lián)合使用。當(dāng)垃 圾回收器準(zhǔn)備回收一個(gè)對象時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)它還有虛引用，就會在回收對象的內(nèi)存之前，把這個(gè)虛引用加入到與之關(guān)聯(lián)的引用隊(duì)列中。程序可以通過判斷引用隊(duì)列中是 否已經(jīng)加入了虛引用，來了解被引用的對象是否將要被垃圾回收。程序如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)虛引用已經(jīng)被加入到引用隊(duì)列，那么就可以在所引用的對象的內(nèi)存被回收之前采取必要的行動(dòng)。

5、堆與棧

棧是運(yùn)行時(shí)的單位
堆是存儲的單位。

棧解決程序的運(yùn)行問題，即程序如何執(zhí)行，或者說如何處理數(shù)據(jù)；
堆解決的是數(shù)據(jù)存儲的問題，即數(shù)據(jù)怎么放、放在哪兒。

在Java中一個(gè)線程就會相應(yīng)有一個(gè)線程棧與之對應(yīng)，這點(diǎn)很容易理解，因?yàn)椴煌木€程執(zhí)行邏輯有所不同因此需要一個(gè)獨(dú)立的線程棧。而堆則是所有線程共享的。棧因?yàn)槭沁\(yùn)行單位，因此里面存儲的信息都是跟當(dāng)前線程（或程序）相關(guān)信息的。包括局部變量、程序運(yùn)行狀態(tài)、方法返回值等等；而堆只負(fù)責(zé)存儲對象信息。

堆中存的是對象。棧中存的是基本數(shù)據(jù)類型和堆中對象的引用。

堆和棧中，棧是程序運(yùn)行最根本的東西。程序運(yùn)行可以沒有堆，但是不能沒有棧。而堆是為棧進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，說白了堆就是一塊共享的內(nèi)存。不過，正是因?yàn)槎押蜅５姆蛛x的思想，才使得Java的垃圾回收成為可能。

Java中，棧的大小通過-Xss來設(shè)置，當(dāng)棧中存儲數(shù)據(jù)比較多時(shí)，需要適當(dāng)調(diào)大這個(gè)值，否則會出現(xiàn)java.lang.StackOverflowError異常。常見的出現(xiàn)這個(gè)異常的是無法返回的遞歸，因?yàn)榇藭r(shí)棧中保存的信息都是方法返回的記錄點(diǎn)。

四、結(jié)語

再來復(fù)習(xí)一下JAVA的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖，加深印象

JAVA體系結(jié)構(gòu).png

這一節(jié)是為學(xué)習(xí)JVM做準(zhǔn)備的，下面，我們就開始進(jìn)入對正主的學(xué)習(xí)，敬請期待。

本人能力有限，這里只局限于本人的認(rèn)知，如有描述不當(dāng)?shù)牡胤?，麻煩諸位指出。