Java虛擬機——JVM

一、JVM整體架構

1、JVM（Java虛擬機）：指以軟體的方式模擬具有完整硬體系統功能、運行在一個完全隔離環境中的完整電腦系統，是物理機的軟體實現。常用的虛擬機有VMWare、Virtual Box、Java Virtual Machine。

2、JVM由三個主要的子系統構成

• 類載入子系統 （即類載入器）
• 運行時數據區（即記憶體結構 / 記憶體模型 / JMM）
• 執行引擎（包含垃圾收集器）

通過類載入器將.class文件載入進記憶體中，再由執行引擎去運行。

堆和方法區是所有線程都共用的。

Java棧、本地方法棧和程式計數器是非線程共用的。

二、JVM記憶體結構

下麵會用到的例子：定義一個Math類。

1、本地方法棧（線程私有）：登記native本地方法（即native方法是存到本地方法棧），在執行引擎執行時載入本地方法庫（C語言實現的庫）。

舉例：Thread類中的 start0() 方法底層實現是用C語言寫的。

2、程式計數器（線程私有）：就是一個指針，指向方法區中的方法位元組碼（用來存儲指向下一條指令的地址，也即指向將要執行的指令代碼），由執行引擎讀取下一條指令，是一個非常小的記憶體空間，幾乎可以忽略不計。

舉例：對.class文件進行 javap -c 反編譯，下圖為 math() 方法反編譯後的結果：（iconst_1和istore_1兩條指令代表 int a=1）

3、方法區（線程共用）：類的所有欄位和方法位元組碼，以及一些特殊方法如構造函數、介面代碼也定義在此（類載入器會將位元組碼文件載入到方法區中，分解成多個部分）。簡單說，所有定義的方法的信息都保存在該區域，靜態變數+常量+類信息（構造方法/介面定義）+運行時常量池都存在方法區中，雖然JVM規範把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫做Non-Heap（非堆），目的應該是與Java堆區分開來。

4、Java棧（線程私有）：Java線程執行方法的記憶體模型，一個線程對應一個棧，每個方法在執行的同時都會創建一個棧幀（用於存儲局部變數表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息），不存在垃圾回收問題，只要線程一結束該棧就釋放，生命周期和線程一致。

JVM對該區域規範了兩種異常：

① 線程請求的棧深度大於虛擬機棧所允許的深度時，將拋出StackOverFlowError異常。

② 若虛擬機棧可動態擴展，當無法申請到足夠記憶體空間時將拋出OutOfMemoryError，通過JVM參數 -> Xss指定棧空間，空間大小決定函數調用的深度。

下圖左邊為Java棧的記憶體結構圖：

動態鏈接：如Map map = new HashMap()，程式運行時map變數需要去找到運行時的HashMap實例對象（多態）的過程，就叫動態鏈接。

方法出口：如main()方法中的math()方法運行結束return返回的值用於main()方法中，return的這個過程就叫方法出口。

5、堆（線程共用）： 虛擬機啟動時創建，用於存放對象實例，幾乎所有的對象（包含常量池）都放在堆上分配記憶體，當對象無法在該空間申請到記憶體時將拋出OutOfMemoryError異常。同時也是垃圾收集器管理的主要區域。可通過 -Xmx -Xms 參數來分別指定最大堆和最小堆。

下圖為堆的記憶體結構圖：

JVM調優的根本目的：儘量減少Full GC的次數，並且縮短每次Full GC的時間長度。（Full GC性能非常低，執行這個過程時會停止整個JVM，即STW（Stop The World），包括程式運行的那些線程，然後專門去做垃圾收集。現在新的GC會儘量縮短STW時間長度，儘量讓垃圾收集和業務線程併發執行）

垃圾收集器（GC）存在的意義：回收堆中無引用的對象，釋放空間。

堆中新生代（Young Generation）占1/3的堆空間，新生代包括伊甸園區（Eden Space）和幸存者區（Survivor Space）；老年代（Old Generation）占2/3的堆空間。

JDK1.8以前是沒有元數據區（MetaData Space）的，而是永久代，從1.8開始元空間取代了永久代，本質和永久代類似，都是對JVM規範中方法區的實現，區別在於元數據區並不在虛擬機中，不屬於堆中的記憶體結構，而是直接使用本機物理記憶體，永久代在虛擬機中，邏輯結構上屬於堆，但是物理上不屬於堆，堆大小=新生代+老年代。元數據區也有可能發生OutOfMemory異常。

• JDK1.6及之前：有永久代，常量池在方法區
• JDK1.7：有永久代，但已逐步“去永久代”，常量池在堆
• JDK1.8及之後：無永久代，常量池在元空間

提問：為什麼JDK1.8用元數據區取代了永久代？

官方解釋：移除永久代是為融合HotSpot JVM與JRockit VM而做出的努力，因為JRockit沒有永久代，不需要配置永久代。

（JDK 8實際上是這兩種虛擬機合併之後的產物，HotSpot JVM（Sun公司開發），JRockit VM（BEA公司開發）。猜測：HotSpot JVM輸了，沒錯，開發出Java語言的Sun公司最後輸了，就聽JRockit VM的）

① new出來的對象會放在Eden區中，當Eden區占滿時會做一次Minor GC（即輕GC），回收Eden區中無引用的對象，剩下的存活對象則會放到From區中。

② 後面又有新的new出來的對象不斷存放在Eden區中，當Eden區占滿時再做Minor GC，又有對象存放在From區中，當From區占滿時也會做Minor GC，GC會回收Eden區和From區中無引用的對象，剩下的存活對象則會放到To區中，此時角色轉變，From區變成To區，To區變成From區。

③ 接著，還會有新的對象存放到Eden區中，當Eden區占滿時再做Minor GC，此時存活的對象放到新的From區中，當新的From區放滿時又做Minor GC，把存活對象放入新的To區，依次輪循。

④ 如果一直有新的對象過來，不斷的做Minor GC，當幸存者區的From區和To區輪循大概15次時，如果To區還有存活的對象，再做一次Minor GC則會把存活的對象移入老年代。

⑤ 如果有一天老年代也占滿了，則會觸發Full GC再次回收無引用對象（有的GC會回收所有區，有的只會回收老年代，得看使用了哪種GC，後面會講）。

三、JVM執行引擎

JVM執行引擎：讀取運行時數據區的Java位元組碼並逐個執行。

解釋執行位元組碼的方式：① JIT編譯器；② 位元組碼解釋器；③ mixed mode（前兩種的混合模式，JDK 8是採用這種，之前的我不知道）

JIT編譯器（Just In Time，即時編譯）：一次性解釋所有指令，第一次執行慢，後面執行快。（會緩存）

位元組碼解釋器：逐行解釋指令，每次執行需要重新解釋，前幾次可能比JIT編譯器快，後面比它慢。（不緩存）