學(xué)習(xí)記錄
為什么要了解虛擬機(jī)
JVM不單單只支持Java語(yǔ)言，也支持其他語(yǔ)言（Scala、Kotlin、Groovy等等）
區(qū)塊鏈2.0--以太坊(比特幣是區(qū)塊鏈1.0) 中提供了EVM的虛擬機(jī)，它的實(shí)現(xiàn)和JVM類(lèi)似，基于棧、生成腳本編譯成字節(jié)碼來(lái)執(zhí)行。知識(shí)通用。（理論大于實(shí)際）
虛擬機(jī)歷史
了解即可，無(wú)需關(guān)注
Hotspot什么意思：熱點(diǎn)代碼探測(cè)技術(shù)，及時(shí)編譯器（發(fā)現(xiàn)最有價(jià)值的代碼，如果代碼用得非常多，就會(huì)把這些代碼編譯成本地代碼）。
華為有的項(xiàng)目用的J9
谷歌(谷歌主要開(kāi)發(fā)語(yǔ)言也是Java)：Google Android Dalivk VM
未來(lái)的Java技術(shù)
模塊化:使用得最多OSGI，應(yīng)用層面就是微服務(wù)，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向
混合語(yǔ)言：多個(gè)語(yǔ)言都可以運(yùn)行在JVM中
多核并行：CPU從高頻次轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗪诵?，多核時(shí)代。JDK1.7引入了Fork/Join，JDK1.8提出lambda表達(dá)式(函數(shù)式編程天生適合并行運(yùn)行)
豐富語(yǔ)法：JDK5提出自動(dòng)裝箱、泛型(并發(fā)編程講到)、動(dòng)態(tài)注解等語(yǔ)法。JDK7二進(jìn)制原生支持。try-catch-finally 至try-with-resource
64位：雖然同樣的程序64位內(nèi)存消耗比32位要多一點(diǎn)，但是支持內(nèi)存大，所以虛擬機(jī)都會(huì)完全過(guò)渡到64位。
更強(qiáng)的垃圾回收：JDK11 –ZGC（TB級(jí)別內(nèi)存回收））：有色指針、加載屏障
運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域
抽象概念，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)依賴寄存器、高速緩存、主內(nèi)存（具體要分析JVM源碼 C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，沒(méi)必要看）
計(jì)算器=指令+數(shù)據(jù)
虛擬機(jī)棧、本地方法棧(native方法)、程序計(jì)數(shù)器：指令相關(guān)
堆、方法：數(shù)據(jù)相關(guān)
程序計(jì)數(shù)器
較小的內(nèi)存空間，當(dāng)前線程執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器；各線程之間獨(dú)立存儲(chǔ)，互不影響（面試可能問(wèn)到為什么需要）
虛擬機(jī)棧
棧：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和java中方法中調(diào)用方法的特性一致。（為什么JVM使用棧 –演示代碼StackFilo）
虛擬機(jī)棧：每個(gè)線程私有的，線程在運(yùn)行時(shí)，在執(zhí)行每個(gè)方法的時(shí)候都會(huì)打包成一個(gè)棧幀，存儲(chǔ)了局部變量表，操作數(shù)棧，動(dòng)態(tài)鏈接，方法出口等信息，然后放入棧。每個(gè)時(shí)刻正在執(zhí)行的當(dāng)前方法就是虛擬機(jī)棧頂?shù)臈E。方法的執(zhí)行就對(duì)應(yīng)著棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧和出棧的過(guò)程。
棧的大小缺省為1M，可用參數(shù) –Xss調(diào)整大小，例如-Xss256k
局部變量表:顧名思義就是局部變量的表，用于存放我們的局部變量的。首先它是一個(gè)32位的長(zhǎng)度，主要存放我們的Java的八大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類(lèi)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兩個(gè)也可以存放下，如果是局部的一些對(duì)象，比如我們的Object對(duì)象，我們只需要存放它的一個(gè)引用地址即可。
操作數(shù)據(jù)棧：存放我們方法執(zhí)行的操作數(shù)的，它就是一個(gè)棧，先進(jìn)后出的棧結(jié)構(gòu)，操作數(shù)棧，就是用來(lái)操作的，操作的的元素可以是任意的java數(shù)據(jù)類(lèi)型，所以我們知道一個(gè)方法剛剛開(kāi)始的時(shí)候，這個(gè)方法的操作數(shù)棧就是空的，操作數(shù)棧運(yùn)行方法是會(huì)一直運(yùn)行入棧/出棧的操作
動(dòng)態(tài)連接****:Java語(yǔ)言特性多態(tài)（需要類(lèi)加載、運(yùn)行時(shí)才能確定具體的方法），動(dòng)態(tài)特性（Groovy、JS、動(dòng)態(tài)代理）
返回地址****:正常返回（調(diào)用程序計(jì)數(shù)器中的地址作為返回）、異常的話（通過(guò)異常處理器表<非棧幀中的>來(lái)確定）
本地方法棧
各虛擬機(jī)自由實(shí)現(xiàn)，
線程共享的區(qū)域
方法區(qū)/永久代
用于存儲(chǔ)已經(jīng)被虛擬機(jī)加載的類(lèi)信息，常量("zdy","123"等)，靜態(tài)變量(static變量)等數(shù)據(jù)，可用以下參數(shù)調(diào)整：
jdk1.7及以前：-XX:PermSize；-XX:MaxPermSize；
jdk1.8以后：-XX:MetaspaceSize； -XX:MaxMetaspaceSize
jdk1.8以后大小就只受本機(jī)總內(nèi)存的限制
如：-XX:MaxMetaspaceSize=3M
堆
幾乎所有對(duì)象都分配在這里，也是垃圾回收發(fā)生的主要區(qū)域，可用以下參數(shù)調(diào)整：
-Xms：堆的最小值；
-Xmx：堆的最大值；
-Xmn：新生代的大?。?/p>
-XX:NewSize；新生代最小值；
-XX:MaxNewSize：新生代最大值；
例如- Xmx256m
直接內(nèi)存
不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是java虛擬機(jī)規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域；如果使用了NIO,這塊區(qū)域會(huì)被頻繁使用，在java堆內(nèi)可以用directByteBuffer對(duì)象直接引用并操作；
這塊內(nèi)存不受java堆大小限制，但受本機(jī)總內(nèi)存的限制，可以通過(guò)-XX:MaxDirectMemorySize來(lái)設(shè)置（默認(rèn)與堆內(nèi)存最大值一樣），所以也會(huì)出現(xiàn)OOM異常。
站在線程角度來(lái)看
深入辨析堆和棧
n 功能
? 以棧幀的方式存儲(chǔ)方法調(diào)用的過(guò)程，并存儲(chǔ)方法調(diào)用過(guò)程中基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的變量（int、short、long、byte、float、double、boolean、char等）以及對(duì)象的引用變量，其內(nèi)存分配在棧上，變量出了作用域就會(huì)自動(dòng)釋放；
? 而堆內(nèi)存用來(lái)存儲(chǔ)Java中的對(duì)象。無(wú)論是成員變量，局部變量，還是類(lèi)變量，它們指向的對(duì)象都存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中；
n 線程獨(dú)享還是共享
? 棧內(nèi)存歸屬于單個(gè)線程，每個(gè)線程都會(huì)有一個(gè)棧內(nèi)存，其存儲(chǔ)的變量只能在其所屬線程中可見(jiàn)，即棧內(nèi)存可以理解成線程的私有內(nèi)存。
? 堆內(nèi)存中的對(duì)象對(duì)所有線程可見(jiàn)。堆內(nèi)存中的對(duì)象可以被所有線程訪問(wèn)。
n 空間大小
棧的內(nèi)存要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于堆內(nèi)存
棧溢出
參數(shù)：-Xss256k
java.lang.StackOverflowError 一般的方法調(diào)用是很難出現(xiàn)的，如果出現(xiàn)了要考慮是否有無(wú)限遞歸。
虛擬機(jī)棧帶給我們的啟示：方法的執(zhí)行因?yàn)橐虬蓷E，所以天生要比實(shí)現(xiàn)同樣功能的循環(huán)慢，所以樹(shù)的遍歷算法中：遞歸和非遞歸(循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn))都有存在的意義。遞歸代碼簡(jiǎn)潔，非遞歸代碼復(fù)雜但是速度較快。
虛擬機(jī)中的對(duì)象
對(duì)象的分配
虛擬機(jī)遇到一條new指令時(shí)：
1）檢查加載
先執(zhí)行相應(yīng)的類(lèi)加載過(guò)程。
2）分配內(nèi)存
指針碰撞
接下來(lái)虛擬機(jī)將為新生對(duì)象分配內(nèi)存。為對(duì)象分配空間的任務(wù)等同于把一塊確定大小的內(nèi)存從Java堆中劃分出來(lái)。
如果Java堆中內(nèi)存是絕對(duì)規(guī)整的，所有用過(guò)的內(nèi)存都放在一邊，空閑的內(nèi)存放在另一邊，中間放著一個(gè)指針作為分界點(diǎn)的指示器，那所分配內(nèi)存就僅僅是把那個(gè)指針向空閑空間那邊挪動(dòng)一段與對(duì)象大小相等的距離，這種分配方式稱為“指針碰撞”。
空閑列表
如果Java堆中的內(nèi)存并不是規(guī)整的，已使用的內(nèi)存和空閑的內(nèi)存相互交錯(cuò)，那就沒(méi)有辦法簡(jiǎn)單地進(jìn)行指針碰撞了，虛擬機(jī)就必須維護(hù)一個(gè)列表，記錄上哪些內(nèi)存塊是可用的，在分配的時(shí)候從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給對(duì)象實(shí)例，并更新列表上的記錄，這種分配方式稱為“空閑列表”。
選擇哪種分配方式由Java堆是否規(guī)整決定，而Java堆是否規(guī)整又由所采用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定。
并發(fā)安全
除如何劃分可用空間之外，還有另外一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是對(duì)象創(chuàng)建在虛擬機(jī)中是非常頻繁的行為，即使是僅僅修改一個(gè)指針?biāo)赶虻奈恢茫诓l(fā)情況下也并不是線程安全的，可能出現(xiàn)正在給對(duì)象A分配內(nèi)存，指針還沒(méi)來(lái)得及修改，對(duì)象B又同時(shí)使用了原來(lái)的指針來(lái)分配內(nèi)存的情況。
CAS機(jī)制
解決這個(gè)問(wèn)題有兩種方案，一種是對(duì)分配內(nèi)存空間的動(dòng)作進(jìn)行同步處理——實(shí)際上虛擬機(jī)采用CAS配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性；
分配緩沖
另一種是把內(nèi)存分配的動(dòng)作按照線程劃分在不同的空間之中進(jìn)行，即每個(gè)線程在Java堆中預(yù)先分配一小塊私有內(nèi)存，也就是本地線程分配緩沖（Thread Local Allocation Buffer,TLAB），如果設(shè)置了虛擬機(jī)參數(shù) -XX:UseTLAB，在線程初始化時(shí)，同時(shí)也會(huì)申請(qǐng)一塊指定大小的內(nèi)存，只給當(dāng)前線程使用，這樣每個(gè)線程都單獨(dú)擁有一個(gè)Buffer，如果需要分配內(nèi)存，就在自己的Buffer上分配，這樣就不存在競(jìng)爭(zhēng)的情況，可以大大提升分配效率，當(dāng)Buffer容量不夠的時(shí)候，再重新從Eden區(qū)域申請(qǐng)一塊繼續(xù)使用。
TLAB的目的是在為新對(duì)象分配內(nèi)存空間時(shí)，讓每個(gè)Java應(yīng)用線程能在使用自己專屬的分配指針來(lái)分配空間，減少同步開(kāi)銷(xiāo)。
TLAB只是讓每個(gè)線程有私有的分配指針，但底下存對(duì)象的內(nèi)存空間還是給所有線程訪問(wèn)的，只是其它線程無(wú)法在這個(gè)區(qū)域分配而已。當(dāng)一個(gè)TLAB用滿（分配指針top撞上分配極限end了），就新申請(qǐng)一個(gè)TLAB。
3）內(nèi)存空間初始化
（注意不是構(gòu)造方法）內(nèi)存分配完成后，虛擬機(jī)需要將分配到的內(nèi)存空間都初始化為零值(如int值為0，boolean值為false等等)。這一步操作保證了對(duì)象的實(shí)例字段在Java代碼中可以不賦初始值就直接使用，程序能訪問(wèn)到這些字段的數(shù)據(jù)類(lèi)型所對(duì)應(yīng)的零值。
4）設(shè)置
接下來(lái)，虛擬機(jī)要對(duì)對(duì)象進(jìn)行必要的設(shè)置，例如這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類(lèi)的實(shí)例、如何才能找到類(lèi)的元數(shù)據(jù)信息、對(duì)象的哈希碼、對(duì)象的GC分代年齡等信息。這些信息存放在對(duì)象的對(duì)象頭之中。
5）對(duì)象初始化
在上面工作都完成之后，從虛擬機(jī)的視角來(lái)看，一個(gè)新的對(duì)象已經(jīng)產(chǎn)生了，但從Java程序的視角來(lái)看，對(duì)象創(chuàng)建才剛剛開(kāi)始，所有的字段都還為零值。所以，一般來(lái)說(shuō)，執(zhí)行new指令之后會(huì)接著把對(duì)象按照程序員的意愿進(jìn)行初始化，這樣一個(gè)真正可用的對(duì)象才算完全產(chǎn)生出來(lái)。
對(duì)象的內(nèi)存布局
在HotSpot虛擬機(jī)中，對(duì)象在內(nèi)存中存儲(chǔ)的布局可以分為3塊區(qū)域：對(duì)象頭（Header）、實(shí)例數(shù)據(jù)（Instance Data）和對(duì)齊填充（Padding）。
對(duì)象頭包括兩部分信息，第一部分用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時(shí)間戳等。
對(duì)象頭的另外一部分是類(lèi)型指針，即對(duì)象指向它的類(lèi)元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類(lèi)的實(shí)例。
第三部分對(duì)齊填充并不是必然存在的，也沒(méi)有特別的含義，它僅僅起著占位符的作用。由于HotSpot VM的自動(dòng)內(nèi)存管理系統(tǒng)要求對(duì)對(duì)象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。當(dāng)對(duì)象其他數(shù)據(jù)部分沒(méi)有對(duì)齊時(shí)，就需要通過(guò)對(duì)齊填充來(lái)補(bǔ)全。
對(duì)象的訪問(wèn)定位
建立對(duì)象是為了使用對(duì)象，我們的Java程序需要通過(guò)棧上的reference數(shù)據(jù)來(lái)操作堆上的具體對(duì)象。目前主流的訪問(wèn)方式有使用句柄和直接指針兩種。
句柄
如果使用句柄訪問(wèn)的話，那么Java堆中將會(huì)劃分出一塊內(nèi)存來(lái)作為句柄池，reference中存儲(chǔ)的就是對(duì)象的句柄地址，而句柄中包含了對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)與類(lèi)型數(shù)據(jù)各自的具體地址信息。
直接指針
如果使用直接指針訪問(wèn)， reference中存儲(chǔ)的直接就是對(duì)象地址。
這兩種對(duì)象訪問(wèn)方式各有優(yōu)勢(shì)，使用句柄來(lái)訪問(wèn)的最大好處就是reference中存儲(chǔ)的是穩(wěn)定的句柄地址，在對(duì)象被移動(dòng)（垃圾收集時(shí)移動(dòng)對(duì)象是非常普遍的行為）時(shí)只會(huì)改變句柄中的實(shí)例數(shù)據(jù)指針，而reference本身不需要修改。
使用直接指針訪問(wèn)方式的最大好處就是速度更快，它節(jié)省了一次指針定位的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，由于對(duì)象的訪問(wèn)在Java中非常頻繁，因此這類(lèi)開(kāi)銷(xiāo)積少成多后也是一項(xiàng)非?？捎^的執(zhí)行成本。
對(duì)Sun HotSpot而言，它是使用直接指針訪問(wèn)方式進(jìn)行對(duì)象訪問(wèn)的。
逃逸分析
棧上分配
虛擬機(jī)提供的一種優(yōu)化技術(shù)，基本思想是，對(duì)于線程私有的對(duì)象，將它打散分配在棧上，而不分配在堆上。好處是對(duì)象跟著方法調(diào)用自行銷(xiāo)毀，不需要進(jìn)行垃圾回收，可以提高性能。
棧上分配需要的技術(shù)基礎(chǔ)，逃逸分析。逃逸分析的目的是判斷對(duì)象的作用域是否會(huì)逃逸出方法體。注意，任何可以在多個(gè)線程之間共享的對(duì)象，一定都屬于逃逸對(duì)象。
public void test(int x,inty ){
String x = “”;
User u = ….
…..
}
User類(lèi)型的對(duì)象u就<u>沒(méi)有</u>逃逸出方法test。
public User test(int x,inty ){
String x = “”;
User u = ….
…..
return u;
}
User類(lèi)型的對(duì)象u就逃逸出方法test。
如何啟用棧上分配
-server JVM運(yùn)行的模式之一, server模式才能進(jìn)行逃逸分析， JVM運(yùn)行的模式還有mix/client
-Xmx10m和-Xms10m：堆的大小
-XX:+DoEscapeAnalysis：?jiǎn)⒂锰右莘治?默認(rèn)打開(kāi))
-XX:+PrintGC：打印GC日志
-XX:+EliminateAllocations：標(biāo)量替換(默認(rèn)打開(kāi))
-XX:-UseTLAB 關(guān)閉本地線程分配緩沖
TLAB： ThreadLocalAllocBuffer，具體解釋參見(jiàn)下文《虛擬機(jī)中的對(duì)象---對(duì)象的分配----2）》
對(duì)棧上分配發(fā)生影響的參數(shù)就是三個(gè)，-server、-XX:+DoEscapeAnalysis和-XX:+EliminateAllocations，任何一個(gè)發(fā)生變化都不會(huì)發(fā)生棧上分配，因?yàn)閱⒂锰右莘治龊蜆?biāo)量替換默認(rèn)是打開(kāi)的，所以，在我們的例子中，JVM的參數(shù)只用-server一樣可以有棧上替換的效果(以King老師機(jī)器上JDK1.8為例，其他版本JDK請(qǐng)自行嘗試)。
棧上分配的效果
同樣的User的對(duì)象實(shí)例，分配100000000次，啟用棧上分配，只需6ms，不啟用，需要900多ms。
