慢慢琢磨JVM

1 JVM簡介

JVM是一個Javaer的最基本功底了，剛開始學Java的時候，通常都是從「Hello World」開始的，而後會寫個複雜點class，而後再找一些開源框架，好比Spring，Hibernate等等，再而後就開發企業級的應用，好比網站、企業內部應用、實時交易系統等等，直到某一天忽然發現作的系統咋就這麼慢呢，並且時不時還來個內存溢出什麼的，今天是交易系統報了StackOverflowError，明天是網站系統報了個OutOfMemoryError，這種錯誤又很難重現，只有分析Javacore和dump文件，運氣好點還能分析出個結果，運行遭的點，就直接去廟裏燒香吧！天天接客戶的電話都是戰戰兢兢的，生怕再出什麼幺蛾子了。我想Java作的久一點的都有這樣的經歷，那這些問題的最終根結是在哪呢？—— JVM。

JVM全稱是Java Virtual Machine，Java虛擬機，也就是在計算機上再虛擬一個計算機，這和咱們使用 VMWare不同，那個虛擬的東西你是能夠看到的，這個JVM你是看不到的，它存在內存中。咱們知道計算機的基本構成是：運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設備，那這個JVM也是有這成套的元素，運算器是固然是交給硬件CPU還處理了，只是爲了適應「一次編譯，隨處運行」的狀況，須要作一個翻譯動做，因而就用了JVM本身的命令集，這與彙編的命令集有點相似，每一種彙編命令集針對一個系列的CPU，好比8086系列的彙編也是能夠用在8088上的，可是就不能跑在8051上，而JVM的命令集則是能夠處處運行的，由於JVM作了翻譯，根據不一樣的CPU，翻譯成不一樣的機器語言。

JVM中咱們最須要深刻理解的就是它的存儲部分，存儲？硬盤？NO，NO， JVM是一個內存中的虛擬機，那它的存儲就是內存了，咱們寫的全部類、常量、變量、方法都在內存中，這決定着咱們程序運行的是否健壯、是否高效，接下來的部分就是重點介紹之。

 

2 JVM的組成部分

咱們先把JVM這個虛擬機畫出來，以下圖所示：

 

 

 

從這個圖中能夠看到，JVM是運行在操做系統之上的，它與硬件沒有直接的交互。咱們再來看下JVM有哪些組成部分，以下圖所示：

 該圖參考了網上廣爲流傳的JVM構成圖，你們看這個圖，整個JVM分爲四部分：

 

q  Class Loader 類加載器

類加載器的做用是加載類文件到內存，好比編寫一個HelloWord.java程序，而後經過javac編譯成class文件，那怎麼才能加載到內存中被執行呢？Class Loader承擔的就是這個責任，那不可能隨便創建一個.class文件就能被加載的，Class Loader加載的class文件是有格式要求，在《JVM Specification》中式這樣定義Class文件的結構：

    ClassFile {

      u4 magic;

      u2 minor_version;

      u2 major_version;

      u2 constant_pool_count;

      cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];

      u2 access_flags;

      u2 this_class;

      u2 super_class;

      u2 interfaces_count;

      u2 interfaces[interfaces_count];

      u2 fields_count;

      field_info fields[fields_count];

      u2 methods_count;

      method_info methods[methods_count];

      u2 attributes_count;

      attribute_info attributes[attributes_count];

    }

須要詳細瞭解的話，能夠仔細閱讀《JVM Specification》的第四章「The class File Format」，這裏再也不詳細說明。

友情提示：Class Loader只管加載，只要符合文件結構就加載，至於說能不能運行，則不是它負責的，那是由Execution Engine負責的。

q  Execution Engine 執行引擎

執行引擎也叫作解釋器(Interpreter)，負責解釋命令，提交操做系統執行。

q  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誕生的時候是C/C++橫行的時候，要想立足，必須有一個聰明的、睿智的調用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，它的具體作法是Native Method Stack中登記native方法，在Execution Engine執行時加載native libraies。目前該方法使用的是愈來愈少了，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等等，很少作介紹。

q  Runtime data area運行數據區

運行數據區是整個JVM的重點。咱們全部寫的程序都被加載到這裏，以後纔開始運行，Java生態系統如此的繁榮，得益於該區域的優良自治，下一章節詳細介紹之。

 

整個JVM框架由加載器加載文件，而後執行器在內存中處理數據，須要與異構系統交互是能夠經過本地接口進行，瞧，一個完整的系統誕生了！

2 JVM的內存管理

全部的數據和程序都是在運行數據區存放，它包括如下幾部分：

q  Stack 棧

棧也叫棧內存，是Java程序的運行區，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。問題出來了：棧中存的是那些數據呢？又什麼是格式呢？

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(Method)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，執行完畢後，先彈出F2棧幀，再彈出F1棧幀，遵循「先進後出」原則。

那棧幀中到底存在着什麼數據呢？棧幀中主要保存3類數據：本地變量（Local Variables），包括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。光說比較枯燥，咱們畫個圖來理解一下Java棧，以下圖所示：

 圖示在一個棧中有兩個棧幀，棧幀2是最早被調用的方法，先入棧，而後方法2又調用了方法1，棧幀1處於棧頂的位置，棧幀2處於棧底，執行完畢後，依次彈出棧幀1和棧幀2，線程結束，棧釋放。

q  Heap 堆內存

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：

Permanent Space 永久存儲區

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。

Young Generation Space 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區進行垃圾回收，將伊甸園區中的再也不被其餘對象所引用的對象進行銷燬。而後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區也滿了呢？再移動到養老區。

Tenure generation space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。   三個區的示意圖以下：

 q  Method Area 方法區

方法區是被全部線程共享，該區域保存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。

q  PC Register 程序計數器

每一個線程都有一個程序計數器，就是一個指針，指向方法區中的方法字節碼，由執行引擎讀取下一條指令。

q  Native Method Stack 本地方法棧

 

 

 

3 JVM相關問題

問：堆和棧有什麼區別

答：堆是存放對象的，可是對象內的臨時變量是存在棧內存中，如例子中的methodVar是在運行期存放到棧中的。

棧是跟隨線程的，有線程就有棧，堆是跟隨JVM的，有JVM就有堆內存。

 

問：堆內存中到底存在着什麼東西？

答：對象，包括對象變量以及對象方法。

 

問：類變量和實例變量有什麼區別？

答：靜態變量是類變量，非靜態變量是實例變量，直白的說，有static修飾的變量是靜態變量，沒有static修飾的變量是實例變量。靜態變量存在方法區中，實例變量存在堆內存中。

 

問：我據說類變量是在JVM啓動時就初始化好的，和你這說的不一樣呀！

答：那你是道聽途說，信個人，沒錯。

 

問：Java的方法（函數）究竟是傳值仍是傳址？

答：都不是，是以傳值的方式傳遞地址，具體的說原生數據類型傳遞的值，引用類型傳遞的地址。對於原始數據類型，JVM的處理方法是從Method Area或Heap中拷貝到Stack，而後運行frame中的方法，運行完畢後再把變量指拷貝回去。

 

問：爲何會產生OutOfMemory產生？

答：一句話：Heap內存中沒有足夠的可用內存了。這句話要好好理解，不是說Heap沒有內存了，是說新申請內存的對象大於Heap空閒內存，好比如今Heap還空閒1M，可是新申請的內存須要1.1M，因而就會報OutOfMemory了，可能之後的對象申請的內存都只要0.9M，因而就只出現一次OutOfMemory，GC也正常了，看起來像偶發事件，就是這麼回事。       但若是此時GC沒有回收就會產生掛起狀況，系統不響應了。

 

問：我產生的對象很少呀，爲何還會產生OutOfMemory？

答：你繼承層次忒多了，Heap中 產生的對象是先產生 父類，而後才產生子類，明白不？

 

問：OutOfMemory錯誤分幾種？

答：分兩種，分別是「OutOfMemoryError:java heap size」和」OutOfMemoryError: PermGen space」，兩種都是內存溢出，heap size是說申請不到新的內存了，這個很常見，檢查應用或調整堆內存大小。

「PermGen space」是由於永久存儲區滿了，這個也很常見，通常在熱發佈的環境中出現，是由於每次發佈應用系統都不重啓，長此以往永久存儲區中的死對象太多致使新對象沒法申請內存，通常從新啓動一下便可。

 

問：爲何會產生StackOverflowError？

答：由於一個線程把Stack內存所有耗盡了，通常是遞歸函數形成的。

 

問：一個機器上能夠看多個JVM嗎？JVM之間能夠互訪嗎？

答：能夠多個JVM，只要機器承受得了。JVM之間是不能夠互訪，你不能在A-JVM中訪問B-JVM的Heap內存，這是不可能的。在之前老版本的JVM中，會出現A-JVM Crack後影響到B-JVM，如今版本很是少見。

 

問：爲何Java要採用垃圾回收機制，而不採用C/C++的顯式內存管理？

答：爲了簡單，內存管理不是每一個程序員都能折騰好的。

 

問：爲何你沒有詳細介紹垃圾回收機制？

答：垃圾回收機制每一個JVM都不一樣，JVM Specification只是定義了要自動釋放內存，也就是說它只定義了垃圾回收的抽象方法，具體怎麼實現各個廠商都不一樣，算法各異，這東西實在不必深刻。

 

問：JVM中到底哪些區域是共享的？哪些是私有的？

答：Heap和Method Area是共享的，其餘都是私有的，

 

問：什麼是JIT，你怎麼沒說？

答：JIT是指Just In Time，有的文檔把JIT做爲JVM的一個部件來介紹，有的是做爲執行引擎的一部分來介紹，這都能理解。Java剛誕生的時候是一個解釋性語言，別噓，即便編譯成了字節碼（byte code）也是針對JVM的，它須要再次翻譯成原生代碼(native code)才能被機器執行，因而效率的擔心就提出來了。Sun爲了解決該問題提出了一套新的機制，好，你想編譯成原生代碼，沒問題，我在JVM上提供一個工具，把字節碼編譯成原生碼，下次你來訪問的時候直接訪問原生碼就成了，因而JIT就誕生了，就這麼回事。

 

問：JVM還有哪些部分是你沒有提到的？

答：JVM是一個異常複雜的東西，寫一本磚頭書都不爲過，還有幾個要說明的：

常量池（constant pool）：按照順序存放程序中的常量，而且進行索引編號的區域。好比int i =100，這個100就放在常量池中。

安全管理器（Security Manager）：提供Java運行期的安全控制，防止惡意攻擊，好比指定讀取文件，寫入文件權限，網絡訪問，建立進程等等，Class Loader在Security Manager認證經過後才能加載class文件的。

方法索引表（Methods table），記錄的是每一個method的地址信息，Stack和Heap中的地址指針實際上是指向Methods table地址。

      

問：爲何不建議在程序中顯式的生命System.gc()？

答：由於顯式聲明是作堆內存全掃描，也就是Full GC，是須要中止全部的活動的（Stop  The World Collection），你的應用能承受這個嗎？

 

問：JVM有哪些調整參數？

答：很是多，本身去找，堆內存、棧內存的大小均可以定義，甚至是堆內存的三個部分、新生代的各個比例都能調整。