JVM原理

1.简述

　　JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。由一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域等组成。JVM屏蔽了与操作系统平台相关的信息，使得Java程序只需要生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可在多种平台上不加修改的运行。JVM在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

2.JRE、JDK和JVM的关系

　　JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java运行环境)：是Java平台，所有的程序都要在JRE下才能够运行。包括JVM和Java核心类库和支持文件。

　　JDK(Java Development Kit，Java开发工具包)：是用来编译、调试Java程序的开发工具包。包括Java工具（javac/java/jdb等）和Java基础的类库（java API ）。

　　JVM(Java Virtual Machine，Java虚拟机负责执行符合规范的Class文件)：是JRE的一部分，一个虚构出来的计算机，它支持跨平台。

3.JVM原理

（1）JVM的基本概念

　　JVM总体上是由类装载子系统（ClassLoader）、运行时数据区、执行引擎、垃圾收集这四个部分组成。其中我们最为关注的运行时数据区，也就是JVM的内存部分则是由方法区（Method Area）、JAVA堆（Java Heap）、虚拟机栈（JVM Stack）、程序计数器、本地方法栈（Native Method Stack）这几部分组成。

（2）JVM启动流程

　　JVM的启动分为以下4步：

1. 加载配置（从当前路径或者系统中寻找jvm.cfg）。
2. 根据配置寻找jvm.dll(JVM的主要实现)。
3. 初始化JVM获取JNIEnv接口（这个是JVM接口，findClass等操作通过它实现）。
4. 找到main方法并执行。

（3）JVM内存结构

1）类装载子系统(Class Loader)

　　类加载器(Class Loader)负责加载.class文件，class文件在文件开头有特定的文件标示，并且ClassLoader负责class文件的加载等，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。

2）运行时数据区

　　栈管运行，堆管存储。JVM调优主要是优化Java堆和方法区。

3）方法区(Method Area)

　　方法区是各线程共享的内存区域，它用于存储已被JVM加载的类信息、常量、静态变量、运行时常量池等数据。

　　运行时常量池是方法区的一部分，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。相较于Class文件常量池，运行时常量池更具动态性，在运行期间也可以将新的变量放入常量池中，而不是一定要在编译时确定的常量才能放入。最主要的运用便是String类的intern()方法。

4）Java堆(Java Heap)

　　Java堆是各线程共享的内存区域，在JVM启动时创建，这块区域是JVM中最大的， 用于存储应用的对象和数组，也是GC主要的回收区，一个 JVM 实例只存在一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后，需要把类、方法、常变量放到堆内存中，以方便执行器执行，堆内存分为三部分：新生代、老年代、永久代。

　　注意：

• Jdk1.6及之前：常量池分配在永久代 。
• Jdk1.7：有，但已经逐步去永久代。
• Jdk1.8及之后：无永久代，改用元空间代替（java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space这种内存溢出错误将不会出现在JDK1.8中）。

5）Java栈(JVM Stack)

　　Java栈是线程私有的，是在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就Over，生命周期和线程一致。基本类型的变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分配。

　　每个方法执行的时候都会创建一个栈帧，栈帧中主要存储3类数据：

• 局部变量表：输入参数和输出参数以及方法内的变量。
• 栈操作：记录出栈和入栈的操作。
• 栈帧数据：包括类文件、方法等等。

　　栈中的数据都是以栈帧的格式存在，栈帧是一个内存区块，是一个数据集，是一个有关方法和运行期数据的数据集。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在栈中从入栈到出栈的过程。

6）本地方法栈(Native Method Stack)

　　本地方法栈和JVM栈发挥的作用非常相似，也是线程私有的，区别是JVM栈为JVM执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈为JVM使用到的Native方法服务。它的具体做法是在本地方法栈中登记native方法，在执行引擎执行时加载Native Liberies。

7）程序计数器(Program Counter Register)

　　程序计数器是一块非常小的内存空间，几乎可以忽略不计，每个线程都有一个程序计算器，是线程私有的，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器，指向方法区中的方法字节码（下一个将要执行的指令代码），由执行引擎读取下一条指令。

8）执行引擎(Execution Engine)

　　执行引擎执行包在装载类的方法中的指令，也就是方法。执行引擎以指令为单位读取Java字节码。它就像一个CPU一样，一条一条地执行机器指令。每个字节码指令都由一个1字节的操作码和附加的操作数组成。执行引擎取得一个操作码，然后根据操作数来执行任务，完成后就继续执行下一条操作码。

（4）JVM垃圾回收

　　垃圾回收就是回收内存中不再使用的对象。所谓使用中的对象（已引用对象），指的是程序中有指针指向的对象。而未使用中的对象（未引用对象），则没有被任何指针给指向，因此占用的内存也可以被回收掉。

　　垃圾回收基本步骤分两步：

• 查找内存中不再使用的对象（GC判断策略）。
• 释放这些对象占用的内存（GC收集算法）。