<font color=#00ffff size=72>概述

1. 基本概念：

JVM 是可運(yùn)行 Java 代碼的假想計(jì)算機(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(chǔ)方法域。JVM 是運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的，它與硬件沒(méi)有直接的交互。

2. 運(yùn)行過(guò)程：

我們都知道 Java 源文件，通過(guò)編譯器，能夠生產(chǎn)相應(yīng)的.Class 文件，也就是字節(jié)碼文件，而字節(jié)碼文件又通過(guò) Java 虛擬機(jī)中的解釋器，編譯成特定機(jī)器上的機(jī)器碼 。 也就是如下：

Java 源文件—->編譯器—->字節(jié)碼文件
　　
字節(jié)碼文件—->JVM—->機(jī)器碼

每一種平臺(tái)的解釋器是不同的，但是實(shí)現(xiàn)的虛擬機(jī)是相同的，這也就是 Java 為什么能夠跨平臺(tái)的原因了 ，當(dāng)一個(gè)程序從開(kāi)始運(yùn)行，這時(shí)虛擬機(jī)就開(kāi)始實(shí)例化了，多個(gè)程序啟動(dòng)就會(huì)存在多個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例。程序退出或者關(guān)閉，則虛擬機(jī)實(shí)例消亡，多個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例之間數(shù)據(jù)不能共享。

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• 這里所說(shuō)的線程指程序執(zhí)行過(guò)程中的一個(gè)線程實(shí)體。JVM 允許一個(gè)應(yīng)用并發(fā)執(zhí)行多個(gè)線程。
• Hotspot JVM 中的 Java 線程與原生操作系統(tǒng)線程有直接的映射關(guān)系。當(dāng)線程本地存儲(chǔ)、緩沖區(qū)分配、同步對(duì)象、棧、程序計(jì)數(shù)器等準(zhǔn)備好以后，就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)操作系統(tǒng)原生線程。
• Java 線程結(jié)束，原生線程隨之被回收。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度所有線程，并把它們分配到任何可用的 CPU 上。當(dāng)原生線程初始化完畢，就會(huì)調(diào)用 Java 線程的 run() 方法。當(dāng)線程結(jié)束時(shí)，會(huì)釋放原生線程和 Java 線程的所有資源。

Hotspot JVM 后臺(tái)運(yùn)行的系統(tǒng)線程主要有下面幾個(gè)：

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一、JVM啟動(dòng)流程

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• 通過(guò)java +xxx（或javaw）啟動(dòng)java虛擬機(jī)
• 裝載配置，會(huì)在當(dāng)前路徑中尋找jvm的config配置文件。
• 根據(jù)查找jvm.dll文件。這個(gè)文件就是java虛擬機(jī)的主要實(shí)現(xiàn)。
• 使用這個(gè)dll，初始化jvm虛擬機(jī)。獲得相關(guān)的接口。
• 找到main方法開(kāi)始運(yùn)行。
  上面這個(gè)過(guò)程的描述雖然比較簡(jiǎn)單，但是jvm的啟動(dòng)流程基本都已經(jīng)涵蓋在里面了。

二、JVM內(nèi)存區(qū)域

JVM 內(nèi)存區(qū)域主要分為線程私有區(qū)域【程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧、本地方法區(qū)】、線程共享區(qū)域【JAVA 堆、方法區(qū)】、直接內(nèi)存。

• 線程私有數(shù)據(jù)區(qū)域生命周期與線程相同, 依賴(lài)用戶(hù)線程的啟動(dòng)/結(jié)束 而 創(chuàng)建/銷(xiāo)毀(在 Hotspot VM 內(nèi), 每個(gè)線程都與操作系統(tǒng)的本地線程直接映射, 因此這部分內(nèi)存區(qū)域的存/否跟隨本地線程的生/死對(duì)應(yīng))。
• 線程共享區(qū)域隨虛擬機(jī)的啟動(dòng)/關(guān)閉而創(chuàng)建/銷(xiāo)毀。

• 直接內(nèi)存并不是 JVM 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分, 但也會(huì)被頻繁的使用: 在 JDK 1.4 引入的 NIO 提供了基于 Channel 與 Buffer 的 IO 方式, 它可以使用 Native 函數(shù)庫(kù)直接分配堆外內(nèi)存, 然后使用DirectByteBuffer 對(duì)象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作(詳見(jiàn): Java I/O 擴(kuò)展), 這樣就避免了在 Java堆和 Native 堆中來(lái)回復(fù)制數(shù)據(jù), 因此在一些場(chǎng)景中可以顯著提高性能。

  
  
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程序計(jì)數(shù)器（線程私有）

• 一塊較小的內(nèi)存空間, 是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器，每個(gè)線程都要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，這類(lèi)內(nèi)存也稱(chēng)為“線程私有”的內(nèi)存。
• 執(zhí)行 java 方法時(shí)，計(jì)數(shù)器記錄的是虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址（當(dāng)前指令的地址）；而執(zhí)行Native 方法時(shí)，則為空（undefined）。
• 這個(gè)內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在虛擬機(jī)中沒(méi)有規(guī)定任何 OutOfMemoryError 情況的區(qū)域。所以程序計(jì)數(shù)器不會(huì)發(fā)生內(nèi)存溢出，因?yàn)槠浯鎯?chǔ)的數(shù)據(jù)和所占空間大小不會(huì)隨程序的執(zhí)行而發(fā)生改變。

虛擬機(jī)棧（線程私有）

是描述 java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，每個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀（Stack Frame），用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過(guò)程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過(guò)程。由此可知，線程當(dāng)前執(zhí)行的方法所對(duì)應(yīng)的棧幀必定位于Java棧的頂部，以及使用遞歸方法的時(shí)候容易導(dǎo)致棧內(nèi)存溢出的現(xiàn)象。

• 棧幀（ Frame）是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和部分過(guò)程結(jié)果的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也被用來(lái)處理動(dòng)態(tài)鏈接(Dynamic Linking)、 方法返回值和異常分派（ Dispatch Exception）。棧幀隨著方法調(diào)用而創(chuàng)建，隨著方法結(jié)束而銷(xiāo)毀——無(wú)論方法是正常完成還是異常完成（拋出了在方法內(nèi)未被捕獲的異常）都算作方法結(jié)束。
• 棧上分配：對(duì)于小對(duì)象（一般幾十個(gè)bytes），在沒(méi)有逃逸的情況下，可以直接分配在棧上（直接分配在棧上，可以自動(dòng)回收，減輕GC壓力）；大對(duì)象或者逃逸對(duì)象無(wú)法棧上分配

棧幀中數(shù)據(jù)的說(shuō)明：

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• 存儲(chǔ)方法中的局部變量（包括方法中的非靜態(tài)變量以及函數(shù)形參）

• 對(duì)于基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的變量，直接存儲(chǔ)它的值；對(duì)于引用類(lèi)型的變量，則存儲(chǔ)對(duì)象的地址。

• 局部變量表的大小在編譯時(shí)就確定了，因此在程序執(zhí)行期間其大小是不會(huì)改變的。
  操作數(shù)棧：

• 程序中的所有計(jì)算過(guò)程都是在借助于操作數(shù)棧來(lái)完成的。

• 棧最典型的一個(gè)應(yīng)用就是用來(lái)對(duì)表達(dá)式求值。
  指向運(yùn)行時(shí)常量池的引用：

指向在方法執(zhí)行的過(guò)程中使用的常量。
方法返回地址：

當(dāng)一個(gè)方法執(zhí)行完畢之后，要返回之前調(diào)用它的地方，因此在棧幀中必須保存一個(gè)方法返回地址。

本地方法棧（線程私有）
　　本地方法區(qū)和 Java Stack 作用類(lèi)似, 區(qū)別是虛擬機(jī)棧為執(zhí)行 Java 方法服務(wù), 而本地方法棧則為Native 方法服務(wù), 如果一個(gè) VM 實(shí)現(xiàn)使用 C-linkage 模型來(lái)支持 Native 調(diào)用, 那么該棧將會(huì)是一個(gè)C 棧，但 HotSpot VM 直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。

java堆（線程共享）

• 是被線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，
• 創(chuàng)建的對(duì)象和數(shù)組都保存在 Java 堆內(nèi)存中，
  也是垃圾收集器進(jìn)行垃圾收集的最重要的內(nèi)存區(qū)域。
  由于現(xiàn)代 VM 采用分代收集算法, 因此 Java 堆從 GC 的角度還可以細(xì)分為: 新生代(Eden區(qū)、From Survivor區(qū)和To Survivor區(qū))和老年代。
  方法區(qū)/永久代（線程共享）
• 即我們常說(shuō)的永久代(Permanent Generation), 用于存儲(chǔ)被 JVM 加載的類(lèi)信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。HotSpot VM 把GC分代收集擴(kuò)展至方法區(qū), 即使用Java堆的永久代來(lái)實(shí)現(xiàn)方法區(qū), 這樣 HotSpot 的垃圾收集器就可以像管理 Java 堆一樣管理這部分內(nèi)存, 而不必為方法區(qū)開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的內(nèi)存管理器(永久帶的內(nèi)存回收的主要目標(biāo)是針對(duì)常量池的回收和類(lèi)型的卸載, 因此收益一般很小)。
  運(yùn)行時(shí)常量池（Runtime Constant Pool）是方法區(qū)的一部分。Class 文件中除了有類(lèi)的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池 （Constant Pool Table），用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用，這部分內(nèi)容將在類(lèi)加
  載后存放到方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中。 Java 虛擬機(jī)對(duì) Class 文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有嚴(yán)格的規(guī)定，每一個(gè)字節(jié)用于存儲(chǔ)哪種數(shù)據(jù)都必須符合規(guī)范上的要求，這樣才會(huì)被虛擬機(jī)認(rèn)可、裝載和執(zhí)行。

三、JVM運(yùn)行時(shí)內(nèi)存

Java 堆從 GC 的角度還可以細(xì)分為: 新生代(Eden 區(qū)、From Survivor區(qū)和To Survivor區(qū))和老年代。

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Eden區(qū)：Java 新對(duì)象的出生地（如果新創(chuàng)建的對(duì)象占用內(nèi)存很大，則直接分配到老年代）。當(dāng) Eden 區(qū)內(nèi)存不夠的時(shí)候就會(huì)觸發(fā) MinorGC，對(duì)新生代區(qū)進(jìn)行一次垃圾回收。
Servivor From：上一次 GC 的幸存者，作為這一次 GC 的被掃描者。

Servivor To：保留了一次 MinorGC 過(guò)程中的幸存者。
MinorGC 的過(guò)程（復(fù)制->清空->互換）：MinorGC 采用復(fù)制算法。

1：eden、servicorFrom 復(fù)制到 ServicorTo，年齡+1

首先，把 Eden 和 ServivorFrom 區(qū)域中存活的對(duì)象復(fù)制到 ServicorTo 區(qū)域（如果有對(duì)象的年齡以及達(dá)到了老年的標(biāo)準(zhǔn)，則賦值到老年代區(qū)），同時(shí)把這些對(duì)象的年齡+1（如果 ServicorTo 不夠位置了就放到老年區(qū)）；
　　
2：清空eden、servicorFrom

然后，清空 Eden 和 ServicorFrom 中的對(duì)象；
　　
3：ServicorTo和ServicorFrom互換

最后，ServicorTo 和 ServicorFrom 互換，原 ServicorTo 成為下一次 GC 時(shí)的 ServicorFrom區(qū)。
　　
2. 老年代：

• 主要存放應(yīng)用程序中生命周期長(zhǎng)的內(nèi)存對(duì)象。
• 老年代的對(duì)象比較穩(wěn)定，所以 MajorGC 不會(huì)頻繁執(zhí)行。在進(jìn)行 MajorGC 前一般都先進(jìn)行了一次 MinorGC，使得有新生代的對(duì)象晉身入老年代，導(dǎo)致空間不夠用時(shí)才觸發(fā)。當(dāng)無(wú)法找到足夠大的連續(xù)空間分配給新創(chuàng)建的較大對(duì)象時(shí)也會(huì)提前觸發(fā)一次 MajorGC 進(jìn)行垃圾回收騰出空間。
• MajorGC 采用標(biāo)記清除算法：首先掃描一次所有老年代，標(biāo)記出存活的對(duì)象，然后回收沒(méi)有標(biāo)記的對(duì)象。MajorGC 的耗時(shí)比較長(zhǎng)，因?yàn)橐獟呙柙倩厥?。MajorGC 會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片，為了減少內(nèi)存損耗，我們一般需要進(jìn)行合并或者標(biāo)記出來(lái)方便下次直接分配。當(dāng)老年代也滿了裝不下的時(shí)候，就會(huì)拋出 OOM（Out of Memory）異常。
  3. 永久代：
• 指內(nèi)存的永久保存區(qū)域，主要存放 Class 和 Meta（元數(shù)據(jù)）的信息,Class 在被加載的時(shí)候被放入永久區(qū)域，它和和存放實(shí)例的區(qū)域不同,GC 不會(huì)在主程序運(yùn)行期對(duì)永久區(qū)域進(jìn)行清理。所以這也導(dǎo)致了永久代的區(qū)域會(huì)隨著加載的 Class 的增多而脹滿，最終拋出 OOM 異常。
• 在 Java8 中，永久代已經(jīng)被移除，被一個(gè)稱(chēng)為“元數(shù)據(jù)區(qū)”（元空間）的區(qū)域所取代。元空間的本質(zhì)和永久代類(lèi)似，元空間與永久代之間最大的區(qū)別在于：元空間并不在虛擬機(jī)中，而是使用本地內(nèi)存。因此，默認(rèn)情況下，元空間的大小僅受本地內(nèi)存限制。類(lèi)的元數(shù)據(jù)放入 native memory, 字符串池和類(lèi)的靜態(tài)變量放入 java 堆中，這樣可以加載多少類(lèi)的元數(shù)據(jù)就不再由MaxPermSize 控制, 而由系統(tǒng)的實(shí)際可用空間來(lái)控制。

四、內(nèi)存模型

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下圖為多個(gè)線程執(zhí)行的過(guò)程：

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