JVM運行原理詳解

1.JVM簡析：

     做爲一名Java使用者，掌握JVM的體系結構也是頗有必要的。

     提及Java，咱們首先想到的是Java編程語言，然而事實上，Java是一種技術，它由四方面組成：Java編程語言、Java類文件格式、Java虛擬機和Java應用程序接口(Java API)。它們的關係以下圖所示：

 Java平臺由Java虛擬機和Java應用程序接口搭建，Java語言則是進入這個平臺的通道，用Java語言編寫並編譯的程序能夠運行在這個平臺上。這個平臺的結構以下圖所示：     運行期環境表明着Java平臺，開發人員編寫Java代碼(.java文件)，而後將之編譯成字節碼(.class文件)，再而後字節碼被裝入內存，一旦字節碼進入虛擬機，它就會被解釋器解釋執行，或者是被即時代碼發生器有選擇的轉換成機器碼執行。

JVM在它的生存週期中有一個明確的任務，那就是運行Java程序，所以當Java程序啓動的時候，就產生JVM的一個實例；當程序運行結束的時候，該實例也跟着消失了。     在Java平臺的結構中, 能夠看出，Java虛擬機(JVM) 處在覈心的位置，是程序與底層操做系統和硬件無關的關鍵。它的下方是移植接口，移植接口由兩部分組成：適配器和Java操做系統, 其中依賴於平臺的部分稱爲適配器；JVM 經過移植接口在具體的平臺和操做系統上實現；在JVM 的上方是Java的基本類庫和擴展類庫以及它們的API， 利用Java API編寫的應用程序(application) 和小程序(Java applet) 能夠在任何Java平臺上運行而無需考慮底層平臺, 就是由於有Java虛擬機(JVM)實現了程序與操做系統的分離，從而實現了Java 的平臺無關性。

     下面咱們從JVM的基本概念和運過程程這兩個方面入手來對它進行深刻的研究。

 

2.JVM基本概念

(1) 基本概念：

     JVM是可運行Java代碼的假想計算機 ，包括一套字節碼指令集、一組寄存器、一個棧、一個垃圾回收，堆 和 一個存儲方法域。JVM是運行在操做系統之上的，它與硬件沒有直接的交互。

(2) 運行過程：

     咱們都知道Java源文件，經過編譯器，可以生產相應的.Class文件，也就是字節碼文件，而字節碼文件又經過Java虛擬機中的解釋器，編譯成特定機器上的機器碼 。

也就是以下：

     ① Java源文件—->編譯器—->字節碼文件

     ② 字節碼文件—->JVM—->機器碼

     每一種平臺的解釋器是不一樣的，可是實現的虛擬機是相同的，這也就是Java爲何可以跨平臺的緣由了 ，當一個程序從開始運行，這時虛擬機就開始實例化了，多個程序啓動就會存在多個虛擬機實例。程序退出或者關閉，則虛擬機實例消亡，多個虛擬機實例之間數據不能共享。

(3) 三種JVM:

     ① Sun公司的HotSpot；

     ② BEA公司的JRockit；

     ③ IBM公司的J9 JVM；

     在JDK1.7及其之前咱們所使用的都是Sun公司的HotSpot，但因爲Sun公司和BEA公司都被oracle收購，jdk1.8將採用Sun公司的HotSpot和BEA公司的JRockit兩個JVM中精華造成jdk1.8的JVM。

 3.JVM的體系結構

(1) Class Loader類加載器

       負責加載 .class文件，class文件在文件開頭有特定的文件標示，而且ClassLoader負責class文件的加載等，至於它是否能夠運行，則由Execution Engine決定。

① 定位和導入二進制class文件

② 驗證導入類的正確性

③ 爲類分配初始化內存

④ 幫助解析符號引用.

(2) Native Interface本地接口:

         本地接口的做用是融合不一樣的編程語言爲Java所用，它的初衷是融合C/C++程序，Java誕生的時候C/C++橫行的時候，要想立足，必須有調用C/C++程序，因而就在內存中專門開闢了一塊區域處理標記爲native的代碼，它的具體做法是Native Method Stack中登記native方法，在Execution Engine執行時加載native libraies。

         目前該方法使用的愈來愈少了，除非是與硬件有關的應用，好比經過Java程序驅動打印機，或者Java系統管理生產設備，在企業級應用中已經比較少見。

         由於如今的異構領域間的通訊很發達，好比可使用Socket通訊，也可使用Web Service等。

(3) Execution Engine 執行引擎：執行包在裝載類的方法中的指令，也就是方法。

(4) Runtime data area 運行數據區:

      虛擬機內存或者Jvm內存，衝整個計算機內存中開闢一塊內存存儲Jvm須要用到的對象，變量等，運行區數據有分不少小區，分別爲：方法區，虛擬機棧，本地方法棧，堆，程序計數器。

 

4.JVM數據運行區詳解（棧管運行，堆管存儲）：

     說明：JVM調優主要就是優化 Heap堆 和 Method Area 方法區。

(1) Native Method Stack本地方法棧

         它的具體作法是Native Method Stack中登記native方法，在Execution Engine執行時加載native libraies。

(2) PC Register程序計數器

         每一個線程都有一個程序計算器，就是一個指針，指向方法區中的方法字節碼（下一個將要執行的指令代碼），由執行引擎讀取下一條指令，是一個很是小的內存空間，幾乎能夠忽略不記。

(3) Method Area方法區

         方法區是被全部線程共享，全部字段和方法字節碼，以及一些特殊方法如構造函數，接口代碼也在此定義。簡單說，全部定義的方法的信息都保存在該區域，此區域屬於共享區間。

         靜態變量+常量+類信息+運行時常量池存在方法區中，實例變量存在堆內存中。

(4) Stack 棧

     ① 棧是什麼

         棧也叫棧內存，主管Java程序的運行，是在線程建立時建立，它的生命期是跟隨線程的生命期，線程結束棧內存也就釋放，對於棧來講不存在垃圾回收問題，只要線程一結束該棧就Over，生命週期和線程一致，是線程私有的。

          基本類型的變量和對象的引用變量都是在函數的棧內存中分配。

     ② 棧存儲什麼？

     棧幀中主要保存3類數據：

          本地變量（Local Variables）：輸入參數和輸出參數以及方法內的變量；

          棧操做（Operand Stack）：記錄出棧、入棧的操做；

          棧幀數據（Frame Data）：包括類文件、方法等等。

     ③ 棧運行原理

     棧中的數據都是以棧幀（Stack Frame）的格式存在，棧幀是一個內存區塊，是一個數據集，是一個有關方法和運行期數據的數據集，當一個方法A被調用時就產生了一個棧幀F1，並被壓入到棧中，A方法又調用了B方法，因而產生棧幀F2也被壓入棧，B方法又調用了C方法，因而產生棧幀F3也被壓入棧…… 依次執行完畢後，先彈出後進......F3棧幀，再彈出F2棧幀，再彈出F1棧幀。

     遵循「先進後出」/「後進先出」原則。

(5) Heap 堆

     堆這塊區域是JVM中最大的，應用的對象和數據都是存在這個區域，這塊區域也是線程共享的，也是 gc 主要的回收區，一個 JVM 實例只存在一個堆類存，堆內存的大小是能夠調節的。類加載器讀取了類文件後，須要把類、方法、常變量放到堆內存中，以方便執行器執行，堆內存分爲三部分：

 ① 新生區

       新生區是類的誕生、成長、消亡的區域，一個類在這裏產生，應用，最後被垃圾回收器收集，結束生命。新生區又分爲兩部分：伊甸區（Eden space）和倖存者區（Survivor pace），全部的類都是在伊甸區被new出來的。倖存區有兩個：0區（Survivor 0 space）和1區（Survivor 1 space）。當伊甸園的空間用完時，程序又須要建立對象，JVM的垃圾回收器將對伊甸園進行垃圾回收（Minor GC）,將伊甸園中的剩餘對象移動到倖存0區。若倖存0區也滿了，再對該區進行垃圾回收，而後移動到1區。那若是1去也滿了呢？再移動到養老區。若養老區也滿了，那麼這個時候將產生Major GC（FullGCC），進行養老區的內存清理。若養老區執行Full GC 以後發現依然沒法進行對象的保存，就會產生OOM異常「OutOfMemoryError」。

     若是出現java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space異常，說明Java虛擬機的堆內存不夠。緣由有二：

    a.Java虛擬機的堆內存設置不夠，能夠經過參數-Xms、-Xmx來調整。

     b.代碼中建立了大量大對象，而且長時間不能被垃圾收集器收集（存在被引用）。

     ② 養老區

         養老區用於保存重新生區篩選出來的 JAVA 對象，通常池對象都在這個區域活躍。

     ③ 永久區

         永久存儲區是一個常駐內存區域，用於存放JDK自身所攜帶的 Class,Interface 的元數據，也就是說它存儲的是運行環境必須的類信息，被裝載進此區域的數據是不會被垃圾回收器回收掉的，關閉 JVM 纔會釋放此區域所佔用的內存。

     若是出現java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space，說明是Java虛擬機對永久代Perm內存設置不夠。緣由有二：

     a. 程序啓動須要加載大量的第三方jar包。例如：在一個Tomcat下部署了太多的應用。

     b. 大量動態反射生成的類不斷被加載，最終致使Perm區被佔滿。

     說明：

     Jdk1.6及以前：常量池分配在永久代 。

     Jdk1.7：有，但已經逐步「去永久代」 。

     Jdk1.8及以後：無(java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,這種錯誤將不會出如今JDK1.8中)。

   說明：方法區和堆內存的異議：

     實際而言，方法區和堆同樣，是各個線程共享的內存區域，它用於存儲虛擬機加載的：類信息+普一般量+靜態常量+編譯器編譯後的代碼等等，雖然JVM規範將方法區描述爲堆的一個邏輯部分，但它卻還有一個別名叫作Non-Heap（非堆），目的就是要和堆分開。

     對於HotSpot虛擬機，不少開發者習慣將方法區稱之爲「永久代（Parmanent Gen）」,但嚴格本質上說二者不一樣，或者說使用永久代來實現方法區而已，永久代是方法區的一個實現，jdk1.7的版本中，已經將本來放在永久代的字符串常量池移走。

     常量池（Constant Pool）是方法區的一部分，Class文件除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息就是常量池，這部份內容將在類加載後進入方法區的運行時常量池中存放。

5.堆內存調優簡介

 

代碼測試：

1 <span style="font-family:Microsoft YaHei;font-size:14px;">public class JVMTest {  
2      public static void main(String[] args){  
3           long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();//返回Java虛擬機試圖使用的最大內存量。  
4           Long totalMemory = Runtime. getRuntime().totalMemory();//返回Java虛擬機中的內存總量。  
5           System.out.println("MAX_MEMORY ="+maxMemory +"(字節)、"+(maxMemory/(double)1024/1024) + "MB");  
6           System.out.println("TOTAL_ MEMORY = "+totalMemory +"(字節)"+(totalMemory/(double)1024/1024) + "MB");  
7      }  
8 }</span> 

說明：在Run as ->Run Configurations中輸入"-XX:+PrintGCDetails"能夠查看堆內存運行原理圖：

(1) 在jdk1.7中：

 (2) 在jdk1.8中:

6.經過參數設置自動觸發垃圾回收：

代碼：

 1 public class JVMTest {
 2      public static void main(String[] args){
 3           long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();//返回Java虛擬機試圖使用的最大內存量。
 4           Long totalMemory = Runtime. getRuntime().totalMemory();//返回Java虛擬機中的內存總量。
 5           System.out.println("MAX_MEMORY ="+maxMemory +"(字節)、"+(maxMemory/(double)1024/1024) + "MB");
 6           System.out.println("TOTAL_ MEMORY = "+totalMemory +"(字節)"+(totalMemory/(double)1024/1024) + "MB");
 7           String str = "www.baidu.com";
 8           while(true){
 9               str += str + new Random().nextInt(88888888) + new Random().nextInt(99999999);
10           }
11      }
12 }

在Run as ->Run Configurations中輸入設置「-Xmx8m –Xms8m –xx:+PrintGCDetails」能夠參看垃圾回收機制原理: