JVM 概述

JVM概述

JVM是Java Virtual Machine（Java 虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，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。

Java语言的一个非常重要的特点就是平台无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行，至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。这就是Java的能够“一次编译，到处运行”的原因。

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。

JVM体系结构

类装载子系统

在JAVA虚拟机中，负责查找并装载类型的那部分被称为类装载子系统。

JAVA虚拟机有两种类装载器：启动类装载器和用户自定义类装载器。前者是JAVA虚拟机实现的一部分，后者则是Java程序的一部分。由不同的类装载器装载的类将被放在虚拟机内部的不同命名空间中。

类装载器子系统涉及Java虚拟机的其他几个组成部分，以及几个来自java.lang库的类。比如，用户自定义的类装载器是普通的Java对象，它的类必须派生自java.lang.ClassLoader类。ClassLoader中定义的方法为程序提供了访问类装载器机制的接口。此外，对于每一个被装载的类型，JAVA虚拟机都会为它创建一个java.lang.Class类的实例来代表该类型。和所有其他对象一样，用户自定义的类装载器以及Class类的实例都放在内存中的堆区，而装载的类型信息则都位于方法区。

类装载器子系统除了要定位和导入二进制class文件外，还必须负责验证被导入类的正确性，为类变量分配并初始化内存，以及帮助解析符号引用。这些动作必须严格按以下顺序进行：

• 装载——查找并装载类型的二进制数据。

• 连接——指向验证、准备、以及解析（可选）。

  • 验证　　确保被导入类型的正确性。（java可以自定义安全策略等）
  • 准备　　为类变量分配内存，并将其初始化为默认值。（这里的准备和下面的初始化的顺序问题体现在java初始化中值变化的各种陷阱）
  • 解析　　把类型中的符号引用转换为直接引用。
• 初始化——把类变量初始化为正确初始值。（准备的时候设为默认值，此时才会正式给变量赋值）
  每个JAVA虚拟机实现都必须有一个启动类装载器，它知道怎么装载受信任的类。
  每个类装载器都有自己的命名空间，其中维护着由它装载的类型。所以一个Java程序可以多次装载具有同一个全限定名的多个类型。这样一个类型的全限定名就不足以确定在一个Java虚拟机中的唯一性。因此，当多个类装载器都装载了同名的类型时，为了惟一地标识该类型，还要在类型名称前加上装载该类型（指出它所位于的命名空间）的类装载器标识。

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。

方法区(Method Area)

方法区是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开来。

方法区也被称为永久代。很多人都会分不清方法区和永久代的关系，为此我也查阅了文献。

《Java虚拟机规范》只是规定了有方法区这么个概念和它的作用，并没有规定如何去实现它。那么，在不同的 JVM 上方法区的实现肯定是不同的了。 方法区和永久代的关系很像Java中接口和类的关系，类实现了接口，而永久代就是HotSpot虚拟机对虚拟机规范中方法区的一种实现方式。 也就是说，永久代是HotSpot的概念，方法区是Java虚拟机规范中的定义，是一种规范，而永久代是一种实现，一个是标准一个是实现，其他的虚拟机实现并没有永久带这一说法。
JDK 1.8 之前永久代还没被彻底移除的时候通常通过下面这些参数来调节方法区大小

-XX:PermSize=N //方法区(永久代)初始大小
-XX:MaxPermSize=N //方法区(永久代)最大大小,超过这个值将会抛出OutOfMemoryError异常:java.lang.OutOfMemoryError: PermGen

相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入方法区后就“永久存在”了。**

JDK 1.8 的时候，方法区（HotSpot的永久代）被彻底移除了（JDK1.7就已经开始了），取而代之是元空间，元空间使用的是直接内存。
下面是一些常用参数：

-XX:MetaspaceSize=N //设置Metaspace的初始（和最小大小）
-XX:MaxMetaspaceSize=N //设置Metaspace的最大大小

与永久代很大的不同就是，如果不指定大小的话，随着更多类的创建，虚拟机会耗尽所有可用的系统内存。

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。
说明：

• 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,这种错误将不会出现在JDK1.8中)。

Java栈(JVM Stack)

1.栈是什么

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。

2.栈存储什么

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

3.栈运行原理

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。
Java 虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

• StackOverFlowError： 若Java虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前Java虚拟机栈的最大深度的时候，就抛出StackOverFlowError异常。
• OutOfMemoryError： 若 Java 虚拟机栈的内存大小允许动态扩展，且当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展了，此时抛出OutOfMemoryError异常。

4.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.有的虚拟机（比如Sun Hotpot）直接把两者合二为一。
本地方法被执行的时候，在本地方法栈也会创建一个栈帧，用于存放该本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出口信息。
方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间，也会出现 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 两种异常。

5.程序计数器(Program Counter Register)

程序计数器是一块较小的内存空间，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。字节码解释器工作时通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器来完。
另外，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
从上面的介绍中我们知道程序计数器主要有两个作用：

• 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
• 在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。
  注意：程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域，它的生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡。

6.运行时常量池

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。
Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有常量池信息。
既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。
JDK1.7及之后版本的 JVM 已经将运行时常量池从方法区中移了出来，在 Java 堆（Heap）中开辟了一块区域存放运行时常量池。

7.直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用。而且也可能导致 OutOfMemoryError 异常出现。
JDK1.4 中新加入的 NIO(New Input/Output) 类，引入了一种基于通道（Channel） 与缓存区（Buffer） 的 I/O 方式，它可以直接使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样就能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。
本机直接内存的分配不会收到 Java 堆的限制，但是，既然是内存就会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。

线程私有的：程序计数器 虚拟机栈 本地方法栈
线程共享的：堆 方法区 直接内存

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。
不过Java字节码是用一种人类可以读懂的语言编写的，而不是用机器可以直接执行的语言。因此，执行引擎必须把字节码转换成可以直接被JVM执行的语言。字节码可以通过以下两种方式转换成合适的语言：

• 解释器： 一条一条地读取，解释并执行字节码执行，所以它可以很快地解释字节码，但是执行起来会比较慢。这是解释执行语言的一个缺点。
• 即时编译器：用来弥补解释器的缺点，执行引擎首先按照解释执行的方式来执行，然后在合适的时候，即时编译器把整段字节码编译成本地代码。然后，执行引擎就没有必要再去解释执行方法了，它可以直接通过本地代码去执行。执行本地代码比一条一条进行解释执行的速度快很多，编译后的代码可以执行的很快，因为本地代码是保存在缓存里的。

垃圾收集(Garbage Collection, GC)

什么是垃圾收集

垃圾收集即垃圾回收，简单的说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。

垃圾回收的基本步骤分两步：

• 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）

GC判断策略

1.引用计数算法

引用计数算法是给对象添加一个引用计数器，每当有一个引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器都为0的对象就是不可能再被使用的对象。缺点：很难解决对象之间相互循环引用的问题。

2.根搜索算法

根搜索算法的基本思路就是通过一系列名为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（也就是说从GC Roots到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的。
在Java语言里，可作为GC Roots的对象包括以下几种：

• 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象；
• 方法区中类静态属性引用的对象；
• 方法区中常量应用的对象；
• 本地方法栈中JNI（Native方法）引用的对象。

注：在根搜索算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，因为要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程：第一次是标记没有与GC Roots相连接的引用链；第二次是GC对在F-Queue执行队列中的对象进行的小规模标记(对象需要覆盖finalize()方法且没被调用过)。

GC收集算法

1.标记-清除算法（Mark-Sweep）

标记-清楚算法采用从根集合（GC Roots）进行扫描，首先标记出所有需要回收的对象（根搜索算法），标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。

该算法有两个问题：

• 效率问题：标记和清除过程的效率都不高；
• 空间问题：标记清除后会产生大量不连续的内存碎片, 空间碎片太多可能会导致在运行过程中需要分配较大对象时无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集。

2.复制算法（Copying）

复制算法是将可用内存按容量划分为大小相等的两块, 每次只用其中一块, 当这一块的内存用完, 就将还存活的对象复制到另外一块上面, 然后把已使用过的内存空间一次清理掉。

3.标记-整理算法（Mark-Compact）

标记整理算法的标记过程与标记清除算法相同, 但后续步骤不再对可回收对象直接清理, 而是让所有存活的对象都向一端移动,然后清理掉端边界以外的内存。

4.分代收集算法（Generational Collection）

分代收集算法是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法。它的核心思想是根据对象存活的生命周期将内存划分为若干个不同的区域。一般情况下将堆区划分为老年代（Tenured Generation）和新生代（Young Generation），在堆区之外还有一个代就是永久代（Permanet Generation）。老年代的特点是每次垃圾收集时只有少量对象需要被回收，而新生代的特点是每次垃圾回收时都有大量的对象需要被回收，那么就可以根据不同代的特点采取最适合的收集算法。

新生代（Young Generation）的回收算法（以复制算法为主）

• 所有新生成的对象首先都是放在年轻代的。年轻代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象。
• 新生代内存按照8:1:1的比例分为一个eden区和两个survivor(survivor0,survivor1)区。一个Eden区，两个 Survivor区(一般而言)。大部分对象在Eden区中生成。回收时先将eden区存活对象复制到一个survivor0区，然后清空eden区，当这个survivor0区也存放满了时，则将eden区和survivor0区存活对象复制到另一个survivor1区，然后清空eden和这个survivor0区，此时survivor0区是空的，然后将survivor0区和survivor1区交换，即保持survivor1区为空， 如此往复。
• 当survivor1区不足以存放 eden和survivor0的存活对象时，就将存活对象直接存放到老年代。若是老年代也满了就会触发一次Full GC(Major GC)，也就是新生代、老年代都进行回收。
• 新生代发生的GC也叫做Minor GC，MinorGC发生频率比较高(不一定等Eden区满了才触发)。

老年代（Tenured Generation）的回收算法（以标记-清除、标记-整理为主）

• 在年轻代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到老年代中。因此，可以认为老年代中存放的都是一些生命周期较长的对象。
• 内存比新生代也大很多(大概比例是1:2)，当老年代内存满时触发Major GC即Full GC，Full GC发生频率比较低，老年代对象存活时间比较长，存活率标记高。

永久代（Permanet Generation）的回收算法

用于存放静态文件，如Java类、方法等。永久代对垃圾回收没有显著影响，但是有些应用可能动态生成或者调用一些class，例如Hibernate 等，在这种时候需要设置一个比较大的永久代空间来存放这些运行过程中新增的类。永久代也称方法区。方法区主要回收的内容有：废弃常量和无用的类。对于废弃常量也可通过根搜索算法来判断，但是对于无用的类则需要同时满足下面3个条件：

• 该类所有的实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类的任何实例；
• 加载该类的ClassLoader已经被回收；
• 该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

垃圾收集器

1.Serial收集器（复制算法)

新生代单线程收集器，标记和清理都是单线程，优点是简单高效。是client级别默认的GC方式，可以通过-XX:+UseSerialGC来强制指定。

2.Serial Old收集器(标记-整理算法)

老年代单线程收集器，Serial收集器的老年代版本。

3.ParNew收集器(停止-复制算法)

新生代多线程收集器，其实就是Serial收集器的多线程版本,在多核CPU环境下有着比Serial更好的表现。

4.Parallel Scavenge收集器(停止-复制算法)

新生代并行的多线程收集器，追求高吞吐量，高效利用CPU。吞吐量一般为99%， 吞吐量= 用户线程时间/(用户线程时间+GC线程时间)。适合后台应用等对交互相应要求不高的场景。是server级别默认采用的GC方式，可用-XX:+UseParallelGC来强制指定，用-XX:ParallelGCThreads=4来指定线程数。

5.Parallel Old收集器(停止-复制算法)

老年代并行的多线程收集器，Parallel Scavenge收集器的老年代版本，并行收集器，吞吐量优先。

6.CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器（标记-清除算法）

CMS收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，CMS收集器是基于“标记--清除”(Mark-Sweep)算法实现的，整个过程分为四个步骤：

• 初始标记： 标记GC Roots能直接关联到的对象，速度很快；
• 并发标记： 进行GC Roots Tracing的过程；
• 重新标记： 修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段稍长一些，但比并发标记时间短；

• 并发清除： 整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程收集器线程都可以与用户线程一起工作，所以，从总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。

  • 优点：并发收集、低停顿
  • 缺点：对CPU资源非常敏感、无法处理浮动垃圾、产生大量空间碎片。

7.G1(Garbage First)收集器（标记-整理算法）

G1是一款面向服务端应用的垃圾收集器，是基于“标记-整理”算法实现的，与其他GC收集器相比，G1具备如下特点：

• 并行与并发
• 分代收集
• 空间整合
• 可预测性的停顿

G1运作步骤：

• 初始标记(stop the world事件，CPU停顿只处理垃圾)
• 并发标记(与用户线程并发执行)
• 最终标记(stop the world事件，CPU停顿处理垃圾)
• 筛选回收(stop the world事件，根据用户期望的GC停顿时间回收)

垃圾收集结构图

那么方法/函数如何调用？

Java 栈可用类比数据结构中栈，Java 栈中保存的主要内容是栈帧，每一次函数调用都会有一个对应的栈帧被压入Java栈，每一个函数调用结束后，都会有一个栈帧被弹出。
Java方法有两种返回方式：

• return 语句。
• 抛出异常。
  不管哪种返回方式都会导致栈帧被弹出。

为什么要将永久代(PermGen)替换为元空间(MetaSpace)呢?

整个永久代有一个 JVM 本身设置固定大小上线，无法进行调整，而元空间使用的是直接内存，受本机可用内存的限制，并且永远不会得到java.lang.OutOfMemoryError。你可以使用 -XX：MaxMetaspaceSize 标志设置最大元空间大小，默认值为 unlimited，这意味着它只受系统内存的限制。-XX：MetaspaceSize 调整标志定义元空间的初始大小如果未指定此标志，则 Metaspace 将根据运行时的应用程序需求动态地重新调整大小。
当然这只是其中一个原因，还有很多底层的原因，这里就不提了。