& JVM1-虚拟机的前世今生和JVM内存区域

JVM学习总结1

1. JAVA基础知识

1.1 JVM从编译到执行

1.1.1 Java程序的执行过程

一个Java程序,首先经过javac编译成.class文件,然后JVM将其加载到方法区,执行引擎将会执行这些字节码. 执行时,会翻译成操作系统相关的函数, JVM作为.class文件的翻译存在, 输入字节码,调用操作系统函数
过程如下: Java文件->编译器->字节码->JVM->机器码
JVM全称: Java Virtual Machine , 也就是我们耳熟能详的Java虚拟机,他能识别.class后缀的文件, 并且能够解析他的指令,最终调用操作系统上的函数,完成我们想要的操作!

1.1.2 JVM JRE JDK的关系

JVM是虚拟化的操作系统, 也就是我们通常说的java虚拟机, JVM会把class文件翻译成机器识别的代码, 但是需要注意的是, JVM不会自己生成代码, 需要大家编写代码, 同时需要很多依赖库,这时候就要用到JRE

JRE除了包括JVM之外, 还提供了很多类库（也就是我们常说的jar包,他可以提供一些即插即用的功能,比如读取或操作文件,连接网络等等之类的）,
这些东西就是JRE提供的基础类库. JVM标准加上JRE基础类库, 就组成了Java的运行时环境, 也就是我们常说的JRE(Java Runtime Environment)

但对于程序员 来说, JRE是不够的. 我们写完代码要编译代码, 还需要调试代码, 还需要打包代码、有时候还需要反编译代码。所以我们会使用JDK，因为JDK还提供了一些非常好用的工具，比如javac（编译代码）、java（启动JVM）、jar (打包代码)、javap（反编译）等。这个就是JDK

1.2 从跨平台到跨语言

跨平台： 我们写一个类，在不同的操作系统上（linux、windows、macos）执行，效果是一样的，这就是JVM的跨平台性。
为了实现跨平台性，不同操作系统有对应的JDK版本
https://www.oracle.com/java/technologies/javase/javase-jdk8-downloads.html

跨语言（语言无关性）：JVM只识别字节码，所以JVM其实跟语言是解耦的，也就是没有关联，JVM运行不是翻译Java 文件，而是识别class文件，这个一般被称之为字节码。还有像Groovy、Kotiln、Scala等语言，他们其实也是编译成字节码，所以他们也可以在JVM上面跑，这个就是JVM的跨语言特征。Java的跨语言性一定程度上奠定了非常强大的java语言生态圈。

1.3 JVM 的发展（非重点）

常见的 JVM 实现
Hotspot：目前使用的最多的 Java 虚拟机。在命令行 java –version。它会输出你现在使用的虚拟机的名字、版本等信息、执行模式。

Jrocket：原来属于BEA 公司，曾号称世界上最快的 JVM，后被 Oracle 公司收购，合并于 Hotspot
J9: IBM 有自己的 java 虚拟机实现，它的名字叫做 J9. 主要是用在 IBM 产品（IBM WebSphere 和 IBM 的 AIX 平台上）
TaobaoVM: 只有一定体量、一定规模的厂商才会开发自己的虚拟机，比如淘宝有自己的 VM,它实际上是 Hotspot 的定制版，专门为淘宝准备的，阿里、天
猫都是用的这款虚拟机。
LiquidVM: 它是一个针对硬件的虚拟机，它下面是没有操作系统的（不是 Linux 也不是 windows）,下面直接就是硬件，运行效率比较高。
zing: 它属于 zual 这家公司，非常牛，是一个商业产品，很贵！它的垃圾回收速度非常快（1 毫秒之内），是业界标杆。它的一个垃圾回收的算法后来被
Hotspot 吸收才有了现在的 ZGC。

2. JVM 整体知识模块

JVM 能涉及非常庞大的一块知识体系，比如内存结构、垃圾回收、类加载、性能调优、JVM 自身优化技术、执行引擎、类文件结构、监控工具等。
但是在所有的知识体系中，都或多或少跟内存结构有一定的关系：
比如垃圾回收回收的就是内存、类加载加载到的地方也是内存、性能优化也涉及到内存优化、执行引擎与内存密不可分、类文件结构与内存的设计有关
系，监控工具也会监控内存。所以内存结构处于 JVM 中核心位置。也是属于我们入门 JVM 学习的最好的选择。
同时 JVM 是一个虚拟化的操作系统，所以除了要虚拟指令之外，最重要的一个事情就是需要虚拟化内存，这个虚拟化内存就是我们马上要讲到的 JVM 的内存区域。

2.1 JVM 的内存区域

2.1.1 运行时数据区域

运行时数据区的定义：Java虚拟机在执行java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。
Java引以为豪的就是它的自动内存管理机制。相比于C++的手动管理内存、复杂难以理解的指针等，Java程序写起来就比较方便。
所以要深入理解JVM必须理解内存虚拟化的概念。
在JVM中，JVM内存主要分为堆、方法区、虚拟机栈和本地方法栈等。
同时按照与线程的关系也可以这样划分：
线程私有区域：一个线程拥有单独一份的区域
线程共享区域：被所有线程共享，且只有一份
这里还有一个直接内存：这个虽然不是运行时数据区的一部分，但是会被频繁使用。你可以理解成没有被虚拟化的操作系统上的其他内存（比如操作系统上有8G内存，被JVM虚拟化了3G，那么还剩下5G，JVM是借助一些工具使用这5G的内存的，这个内存部分称之为直接内存）

2.2 JAVA方法的运行与虚拟机栈

虚拟机栈是线程运行JAVA方法所需的数据、指令、返回地址。其实在我们实际的代码中，一个线程是可以运行多个方法的。比如：

先起一个main方法，
在main方法运行中调用A方法，
A方法中调用B方法，
B方法中调用C方法。
假设线程1来运行这段代码，线程1跑起来，就会有一个对应的虚拟机栈，同时在执行每个方法的时候都会打包成一个栈帧。

比如main开始运行，打包一个栈帧送入到虚拟机栈。

直到C方法运行完了，C方法出栈，
接着B方法运行完了，B方法出栈，
接着A方法运行完了，A方法出栈，
最后main运行完了，main出栈了。

这个就是JAVA方法运行对虚拟机栈的一个影响。虚拟机栈就是用来存储线程运行方法中的数据的。而每一个方法对应一个栈帧。

2.2.1 虚拟机栈

栈的数据结构：先进后出（FILO）的数据结构，
虚拟机栈的作用：在JVM运行过程中存储当前线程运行方法所需的数据，指令、返回地址。
虚拟机栈是基于线程的：哪怕你只有一个main()方法，也是以线程的方式运行的。在线程的生命周期中，参与计算的数据会频繁的入栈和出栈，栈的生命周期和线程是一样的！

虚拟机栈的大小缺省值为1M，可用参数-Xss调整大小，列如-Xss256k。
参数官方文档（JDK1.8）：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

英

中

虚拟机栈里面存储的是栈帧
虚拟机栈里面存储的是栈帧
虚拟机栈里面存储的是栈帧
栈帧：在每个Java方法被调用的时候，都会创建一个栈帧，并入栈。一旦方法完成相应的调用，则出栈。
栈帧大体都包含四个区域：（局部变量表，操作数栈，动态连接，返回地址）

1. 局部变量表
   顾名思义就是局部变量的表，用于存放我们的局部变量的（方法中的变量）。首先它是一个32位的长度，主要存放我们的Java的八大基础数据类型，一般32位就可以存放下，如果64位的就使用高低位占用两个也可以存放下，如果是局部的一些对象，比如我们的Object对象，我们只需要存放它的一个引用地址即可。
2. 操作数栈
   存放Java方法执行的操作数的，他就是一个栈，先进后出的栈结构，
   操作数栈，就是用来操作的，操作的元素可以是任意的java数据类型，所以我们知道一个方法刚刚开始的时候，这个方法的操作数栈就是空的。
   操作数栈本质上是JVM执行引擎的一个工作区，也就是方法在执行，才会对操作数栈进行操作，如果代码不执行，操作数栈就是空的
   

   ↓↓↓↓↓操作数栈本质上是JVM执行引擎的一个工作区，这句话如何理解呢？↓↓↓↓↓
   站在 电脑操作系统层面来看
   操作系统包括了
   CPU + 缓存 + 主内存；
   JVM就是模拟板的操作系统，包括了
   JVM执行引擎 + 操作数栈 + 堆、栈
   操作数栈就是CPU缓存！！！！！！
   操作数栈就是CPU缓存！！！！！！
   操作数栈就是CPU缓存！！！！！！
   CPU缓存是什么？↓↓↓↓↓
   在计算机系统中，CPU高速缓存（英语：CPU Cache，在本文中简称缓存）是用于减少处理器访问内存所需平均时间的部件。在金字塔式存储体系中它位于自顶向下的第二层，仅次于CPU寄存器。其容量远小于内存，但速度却可以接近处理器的频率。
   当处理器发出内存访问请求时，会先查看缓存内是否有请求数据。如果存在（命中），则不经访问内存直接返回该数据；如果不存在（失效），则要先把内存中的相应数据载入缓存，再将其返回处理器。

3. 动态连接
   JAVA语言特性多态
4. 返回地址
   正常返回：（调用程序计数器中的地址作为返回）
   异常的话：（通过异常处理器表<非栈帧中的>来决定）

同时，这个虚拟机栈这个内存大小并不是无限大的，他有大小限制，默认情况下是1M
如果我们不断的往虚拟机栈中入栈帧，但是就是不出栈的话，那么这个虚拟机栈就会爆掉

2.2.2 程序计数器

较小的内存空间，当前线程执行的字节码的行号指示器；各个线程之间独立存储，互不影响。
程序计数器是一块很小的内存空间，主要用来记录各个线程执行的字节码的地址，列如：分支、循环、跳转、异常、线程恢复等都依赖于计数器。
由于Java是多线程语言，当前执行的线程数量超过CPU核数时，线程之间会根据时间片轮询争夺CPU资源，如果一个线程的时间片用完了，或者是其他原因导致这个线程的CPU资源被提前抢夺，那么这个退出的线程就需要单独的一个程序计数器，来记录下一条运行的指令。

因为JVM是虚拟机，内部有完整的指令与执行的一套流程，所以在运行Java方法的时候需要使用程序计数器（记录字节码执行的地址或行号），如果是遇到本地方法（native方法），这个方法不是JVM来执行，所以程序计数器不需要记录了，这个是因为在操作系统层面也有一个程序计数器，这个会记录本地代码的执行的地址，所以在执行native方法时，JVM中程序计数器的值为空（Undefined）
另外程序计数器也是JVM中唯一一个不会OOM（OutOfMemory）的内存区域。

2.2.3 为什么要有程序计数器？

对于操作系统来说，操作系统里面也有程序计数器。JVM中的程序计数器与操作系统中的程序计数器属于映射关系。
CPU时间片及CPU时间片轮转机制：1秒钟CPU可以干很多事情，CPU会将这个1秒钟进行切片，假设每一片对应的是1ms，切成了1000片，假设现在有很多线程在泡，其中一个线程，CPU分配了1个时间片代表1ms，这个线程执行到一半，时间片执行完了，CPU发现当前时间没有可用的时间片，这个线程必须要挂起或者阻塞，等下一个可用的时间片，此时CPU会把这个线程执行到哪一步给记录到程序计数器中，以便下一个时间片继续执行。（CPU时间片轮转机制）以确保CPU时间片轮转机制中程序的正常执行

同理 JVM中也需要程序计数器，确保java多线程 时间片轮转机制程序的正常执行

2.2.4 栈帧执行对内存区域的影响

对 class 进行反汇编 javap –c XXXX.class
字节码助记码解释地址：https://cloud.tencent.com/developer/article/1333540

在 JVM 中，基于解释执行的这种方式是基于栈的引擎，这个说的栈，就是操作数栈。

2.2.5 字节码的执行细节（重要）

示例：

package com.cemao.payment;

public class Person {
    public int work() throws Exception{
        int x = 1;
        int y = 2;
        int z = (x+y)*10;
        return z;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Person person = new Person();
        person.work();
    }
}

javac Person.java
javap -c Person.class

public int work() throws java.lang.Exception;
Code:
0: iconst_1 //将常量1压入操作数栈（第一行字节码执行完成）
1: istore_1 //将数值1从操作数栈存储到局部变量表
2: iconst_2 //将常量q压入操作数栈
3: istore_2 //将数值2从操作数栈存储到局部变量表
4: iload_1 //将下标是1的局部变量加载到操作数栈（此处不是数值为1，而是下标为1）
5: iload_2 //将下标是2的局部变量加载到操作数栈（此处不是数值为2，而是下标为2）
6: iadd //将操作数栈 栈顶的两个数值出栈（一般是栈顶的两个数值），放到JVM执行引擎（可以理解为CPU）中相加运算后，再自动入栈（重新加载到操作数栈中）
7: bipush 10 //将常量10加载到操作数栈
9: imul //将操作数栈 栈顶的两个数值出栈（一般是栈顶的两个数值），放到JVM执行引擎（可以理解为CPU）中相乘运算后，再自动入栈（重新加载到操作数栈中），此时数值为30
10: istore_3 //将30出栈，存储到局部变量表中
11: iload_3 //将局部变量表中下标为3的数值加载到操作数栈
12: ireturn //返回指令 只要是指令都是需要执行引擎（CPU）来执行，但是执行引擎的数据都是从操作数栈（缓存）里获取。所以上面iload_3的意义就是将下标为3的数值加载到操作数栈

此处 第4步
数值1 对应的局部变量下标为1
数值2 对应的局部变量下标为2
不要混淆

字节码位置/行号

左边的数字代表着，字节码的位置，也可以理解为行号。
为什么没有8？
这些行号只是简单的近似位，java底层本质是C C++来实现的，C C++使用内存会有一个概念叫做：偏移量
这些行号都是一些近似位，不会很准确

2.2.6 运行时数据区及 JVM 的整体内存结构

本地方法栈

本地方法栈跟Java虚拟机栈的功能类似，Java虚拟机栈用于管理Java函数调用，而本地方法栈则用于管理本地方法的调用，但本地方法并不是用Java实现的，而是由C语言实现的（比如Object.hashcode法）
本地方法是和虚拟机栈非常相似的一个区域，它服务的对象是native对象。你甚至可以认为虚拟机栈和本地方法栈是同一个区域。
虚拟机规范无强制规定，各个版本虚拟机自由实现，HotSpot直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一

方法区

方法区主要是用来存放已被虚拟机加载的类相关信息，包括类信息、静态变量、常量、运行时常量池、字符串常量池等。
方法区是JVM对内存的“逻辑划分”。
在JDK1.7及之前很多开发者都习惯将方法区称为"永久代"，是因为在HotSpot虚拟机栈中，设计人员使用了永久代来实现JVM规范的方法区。在JDK1.8及以后使用了元空间来实现方法区。

JVM在执行某个类的时候，必须先加载。在加载类（加载、验证、准备、解析、初始化）的时候，JVM会先加载class文件，而在class文件中除了有类的版本、字段、方法、和接口等描述信息外，还有一项是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用。

字面量包括字符串（String a = "b"）、基本类型的常量（final修饰的变量）。
符号引用则包括类和方法的全限定名（列如String这个类，它的全限定名就是java/lang/String）、字段的名称和描述以及方法的名称和描述符。

元空间

方法区与堆空间类似，也是一个共享内存区，所以方法区是线程共享的。假如两个线程都试图访问方法区中的同一个类的信息，而这个类还没有装入JVM，那么此时就只允许一个线程去加载它，另一个线程必须等待。
在Hotspot虚拟机、Java7版本中已经将永久代的静态变量和运行时常量池转移到了堆中，其余部分则存储在JVM的非堆内存中，而Java8版本已经将方法区中实现的永久代去掉了，并用元空间（class metadata）代替了之前的永久代，而且元空间的存储位置是本地内存。
元空间大小参数：
jdk1.7 及以前（初始和最大值）：-XX:PermSize；-XX:MaxPermSize；
jdk1.8 以后（初始和最大值）：-XX:MetaspaceSize； -XX:MaxMetaspaceSize
jdk1.8 以后大小就只受本机总内存的限制（如果不设置参数的话）
JVM 参数参考：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

Java8 为什么使用元空间替代永久代，这样做有什么好处呢？
官方给出的解释是：
移除永久代是为了融合 HotSpot JVM 与 JRockit VM 而做出的努力，因为 JRockit 没有永久代，所以不需要配置永久代。
永久代内存经常不够用或发生内存溢出，抛出异常 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen。这是因为在 JDK1.7 版本中，指定的 PermGen 区大小为8M，由于 PermGen 中类的元数据信息在每次 FullGC 的时候都可能被收集，回收率都偏低，成绩很难令人满意；还有为 PermGen 分配多大的空间很难确定，PermSize 的大小依赖于很多因素，比如，JVM 加载的 class 总数、常量池的大小和方法的大小等。

符号引用

一个Java类（假设为People类）被编译成一个class文件，如果People类引用了Tool类，但是在编译时People类并不知道引用类的实际内存地址，因此只能使用符号引用来代替。

而在类装载器装载People类时，此时可以通过虚拟机获取Tool类的实际内存地址，因此便可以既将符号org.simple.Tool替换为Tool类的实际内存地址，及直接引用地址。
即在编译时用符号引用来替代引用类，在加载时再通过虚拟机获取该引用类的实际地址。
以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义的定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局是无关的，引用的目标不一定已经加载到内存中。

常量池与运行时常量池

而当类加载到内存中后，JVM就会将class文件常量池中的内容存放到运行时的常量池中；在解析阶段，JVM会把符号引用替换为直接引用（对象的索引值）。
列如，类中的一个字符串常量在class文件中时，存放在class文件常量池中的；在JVM加载完类之后，JVM会将这个字符串常量放到运行时常量池中，并在解析阶段，指定该字符串对象的索引值。运行时常量池是全局共享的，多个类共用一个运行时常量池，class文件中常量池多个相同的字符串在运行时常量池只会存在一份。

javap -v People.class

静态常量池

堆

堆是JVM上最大的内存区域，我们申请的几乎所有的对象，都是在这里存储的。我们常说的垃圾回收，操作的对象就是堆。堆空间一般是程序启动时，就申请了，但是并不一定会全部使用。堆一般设置成可伸缩的。
随着对象的频繁创建，堆空间占用的越来越多，就需要不定期的对不再使用的对象进行回收。这个在Java中，就叫作GC（Garbage Collection）。
那一个对象创建的时候，到底是在堆上分配，还是在栈上分配呢？这和两个方面有关：对象的类型和在Java类中存在的位置。
Java的对象可以分为基本数据类型和普通对象。
对于普通对象来说，JVM会首先在堆上创建对象，然后在其他地方使用的其实是它的引用。比如，把这个引用保存在虚拟机栈的局部变量表中。
对于基本数据类型来说（byteshortintlongfloatdoublechar），有两种情况。
当你在方法体内声明了基本数据类型的对象，他就会在栈上直接分配，其他情况，都是在堆上分配。

堆大小参数：
-Xms：堆的最小值。
-Xmx：堆的最大值。
-Xmn：新生代的大小。
-XX:NewSize：新生代的最小值。
-XX:MaxNewSize：新生代的最大值。
例如：
-Xmx256m

直接内存（堆外内存）

直接内存有一种更加科学的叫法，堆外内存。
JVM 在运行时，会从操作系统申请大块的堆内存，进行数据的存储；同时还有虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器，这块称之为栈区。操作系统剩余的
内存也就是堆外内存。
它不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是 java 虚拟机规范中定义的内存区域；如果使用了 NIO,这块区域会被频繁使用，在 java 堆内可以用
directByteBuffer 对象直接引用并操作；
这块内存不受 java 堆大小限制，但受本机总内存的限制，可以通过-XX:MaxDirectMemorySize 来设置（默认与堆内存最大值一样），所以也会出现 OOM 异
常。

小结：
1、直接内存主要是通过 DirectByteBuffer 申请的内存，可以使用参数“MaxDirectMemorySize”来限制它的大小。
2、其他堆外内存，主要是指使用了 Unsafe 或者其他 JNI 手段直接直接申请的内存。
堆外内存的泄漏是非常严重的，它的排查难度高、影响大，甚至会造成主机的死亡。后续章节会详细讲。
同时，要注意 Oracle 之前 计划在 Java 9 中去掉 sun.misc.Unsafe API 。这里删除 sun.misc.Unsafe 的原因之一是使 Java 更加安全，并且有替代方案。
目前我们主要针对的 JDK1.8 ，JDK1.9 暂时不放入讨论范围中，我们大致知道 java 的发展即可。