JVM運(yùn)行原理是怎么樣的呢

JVM運(yùn)行原理是怎么樣的呢，相信很多沒有經(jīng)驗(yàn)的人對此束手無策，為此本文總結(jié)了問題出現(xiàn)的原因和解決方法，通過這篇文章希望你能解決這個問題。

1.JVM簡析：

     作為一名Java使用者，掌握J(rèn)VM的體系結(jié)構(gòu)也是很有必要的。

     說起Java，我們首先想到的是Java編程語言，然而事實(shí)上，Java是一種技術(shù)，它由四方面組成：Java編程語言、Java類文件格式、Java虛擬機(jī)和Java應(yīng)用程序接口(Java API)。它們的關(guān)系如下圖所示：

     Java平臺由Java虛擬機(jī)和Java應(yīng)用程序接口搭建，Java語言則是進(jìn)入這個平臺的通道，用Java語言編寫并編譯的程序可以運(yùn)行在這個平臺上。這個平臺的結(jié)構(gòu)如下圖所示：     

運(yùn)行期環(huán)境代表著Java平臺，開發(fā)人員編寫Java代碼(.java文件)，然后將之編譯成字節(jié)碼(.class文件)，再然后字節(jié)碼被裝入內(nèi)存，一旦字節(jié)碼進(jìn)入虛擬機(jī)，它就會被解釋器解釋執(zhí)行，或者是被即時代碼發(fā)生器有選擇的轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼執(zhí)行。

     JVM在它的生存周期中有一個明確的任務(wù)，那就是運(yùn)行Java程序，因此當(dāng)Java程序啟動的時候，就產(chǎn)生JVM的一個實(shí)例；當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束的時候，該實(shí)例也跟著消失了。     在Java平臺的結(jié)構(gòu)中, 可以看出，Java虛擬機(jī)(JVM) 處在核心的位置，是程序與底層操作系統(tǒng)和硬件無關(guān)的關(guān)鍵。它的下方是移植接口，移植接口由兩部分組成：適配器和Java操作系統(tǒng), 其中依賴于平臺的部分稱為適配器；JVM 通過移植接口在具體的平臺和操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)；在JVM 的上方是Java的基本類庫和擴(kuò)展類庫以及它們的API， 利用Java API編寫的應(yīng)用程序(application) 和小程序(Java applet) 可以在任何Java平臺上運(yùn)行而無需考慮底層平臺, 就是因?yàn)橛蠮ava虛擬機(jī)(JVM)實(shí)現(xiàn)了程序與操作系統(tǒng)的分離，從而實(shí)現(xiàn)了Java 的平臺無關(guān)性。

     下面我們從JVM的基本概念和運(yùn)過程程這兩個方面入手來對它進(jìn)行深入的研究。

2.JVM基本概念

(1) 基本概念：

     JVM是可運(yùn)行Java代碼的假想計算機(jī) ，包括一套字節(jié)碼指令集、一組寄存器、一個棧、一個垃圾回收，堆 和 一個存儲方法域。JVM是運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的，它與硬件沒有直接的交互。

(2) 運(yùn)行過程：

     我們都知道Java源文件，通過編譯器，能夠生產(chǎn)相應(yīng)的.Class文件，也就是字節(jié)碼文件，而字節(jié)碼文件又通過Java虛擬機(jī)中的解釋器，編譯成特定機(jī)器上的機(jī)器碼 。

也就是如下：

     ① Java源文件—->編譯器—->字節(jié)碼文件

     ② 字節(jié)碼文件—->JVM—->機(jī)器碼

     每一種平臺的解釋器是不同的，但是實(shí)現(xiàn)的虛擬機(jī)是相同的，這也就是Java為什么能夠跨平臺的原因了 ，當(dāng)一個程序從開始運(yùn)行，這時虛擬機(jī)就開始實(shí)例化了，多個程序啟動就會存在多個虛擬機(jī)實(shí)例。程序退出或者關(guān)閉，則虛擬機(jī)實(shí)例消亡，多個虛擬機(jī)實(shí)例之間數(shù)據(jù)不能共享。

(3) 三種JVM:

     ① Sun公司的HotSpot；

     ② BEA公司的JRockit；

     ③ IBM公司的J9 JVM；

     在JDK1.7及其以前我們所使用的都是Sun公司的HotSpot，但由于Sun公司和BEA公司都被oracle收購，jdk1.8將采用Sun公司的HotSpot和BEA公司的JRockit兩個JVM中精華形成jdk1.8的JVM。

3.JVM的體系結(jié)構(gòu)

(1) Class Loader類加載器

       負(fù)責(zé)加載 .class文件，class文件在文件開頭有特定的文件標(biāo)示，并且ClassLoader負(fù)責(zé)class文件的加載等，至于它是否可以運(yùn)行，則由Execution Engine決定。

① 定位和導(dǎo)入二進(jìn)制class文件

② 驗(yàn)證導(dǎo)入類的正確性

③ 為類分配初始化內(nèi)存

④ 幫助解析符號引用.

(2) Native Interface本地接口:

         本地接口的作用是融合不同的編程語言為Java所用，它的初衷是融合C/C++程序，Java誕生的時候C/C++橫行的時候，要想立足，必須有調(diào)用C/C++程序，于是就在內(nèi)存中專門開辟了一塊區(qū)域處理標(biāo)記為native的代碼，它的具體作法是Native Method Stack中登記native方法，在Execution Engine執(zhí)行時加載native libraies。

         目前該方法使用的越來越少了，除非是與硬件有關(guān)的應(yīng)用，比如通過Java程序驅(qū)動打印機(jī)，或者Java系統(tǒng)管理生產(chǎn)設(shè)備，在企業(yè)級應(yīng)用中已經(jīng)比較少見。

         因?yàn)楝F(xiàn)在的異構(gòu)領(lǐng)域間的通信很發(fā)達(dá)，比如可以使用Socket通信，也可以使用Web Service等。

(3) Execution Engine 執(zhí)行引擎：執(zhí)行包在裝載類的方法中的指令，也就是方法。

(4) Runtime data area 運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū):

      虛擬機(jī)內(nèi)存或者Jvm內(nèi)存，沖整個計算機(jī)內(nèi)存中開辟一塊內(nèi)存存儲Jvm需要用到的對象，變量等，運(yùn)行區(qū)數(shù)據(jù)有分很多小區(qū)，分別為：方法區(qū)，虛擬機(jī)棧，本地方法棧，堆，程序計數(shù)器。

4.JVM數(shù)據(jù)運(yùn)行區(qū)詳解（棧管運(yùn)行，堆管存儲）：

     說明：JVM調(diào)優(yōu)主要就是優(yōu)化 Heap堆 和 Method Area 方法區(qū)。

(1) Native Method Stack本地方法棧

         它的具體做法是Native Method Stack中登記native方法，在Execution Engine執(zhí)行時加載native libraies。

(2) PC Register程序計數(shù)器

         每個線程都有一個程序計算器，就是一個指針，指向方法區(qū)中的方法字節(jié)碼（下一個將要執(zhí)行的指令代碼），由執(zhí)行引擎讀取下一條指令，是一個非常小的內(nèi)存空間，幾乎可以忽略不記。

(3) Method Area方法區(qū)

         方法區(qū)是被所有線程共享，所有字段和方法字節(jié)碼，以及一些特殊方法如構(gòu)造函數(shù)，接口代碼也在此定義。簡單說，所有定義的方法的信息都保存在該區(qū)域，此區(qū)域?qū)儆诠蚕韰^(qū)間。

         靜態(tài)變量+常量+類信息+運(yùn)行時常量池存在方法區(qū)中，實(shí)例變量存在堆內(nèi)存中。

(4) Stack 棧

     ① 棧是什么

         棧也叫棧內(nèi)存，主管Java程序的運(yùn)行，是在線程創(chuàng)建時創(chuàng)建，它的生命期是跟隨線程的生命期，線程結(jié)束棧內(nèi)存也就釋放，對于棧來說不存在垃圾回收問題，只要線程一結(jié)束該棧就Over，生命周期和線程一致，是線程私有的。

          基本類型的變量和對象的引用變量都是在函數(shù)的棧內(nèi)存中分配。

     ② 棧存儲什么？

     棧幀中主要保存3類數(shù)據(jù)：

          本地變量（Local Variables）：輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)以及方法內(nèi)的變量；

          棧操作（Operand Stack）：記錄出棧、入棧的操作；

          棧幀數(shù)據(jù)（Frame Data）：包括類文件、方法等等。

     ③ 棧運(yùn)行原理

     棧中的數(shù)據(jù)都是以棧幀（Stack Frame）的格式存在，棧幀是一個內(nèi)存區(qū)塊，是一個數(shù)據(jù)集，是一個有關(guān)方法和運(yùn)行期數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集，當(dāng)一個方法A被調(diào)用時就產(chǎn)生了一個棧幀F(xiàn)1，并被壓入到棧中，A方法又調(diào)用了B方法，于是產(chǎn)生棧幀F(xiàn)2也被壓入棧，B方法又調(diào)用了C方法，于是產(chǎn)生棧幀F(xiàn)3也被壓入棧…… 依次執(zhí)行完畢后，先彈出后進(jìn)......F3棧幀，再彈出F2棧幀，再彈出F1棧幀。

     遵循“先進(jìn)后出”/“后進(jìn)先出”原則。

(5) Heap 堆

     堆這塊區(qū)域是JVM中最大的，應(yīng)用的對象和數(shù)據(jù)都是存在這個區(qū)域，這塊區(qū)域也是線程共享的，也是 gc 主要的回收區(qū)，一個 JVM 實(shí)例只存在一個堆類存，堆內(nèi)存的大小是可以調(diào)節(jié)的。類加載器讀取了類文件后，需要把類、方法、常變量放到堆內(nèi)存中，以方便執(zhí)行器執(zhí)行，堆內(nèi)存分為三部分：

       新生區(qū)是類的誕生、成長、消亡的區(qū)域，一個類在這里產(chǎn)生，應(yīng)用，最后被垃圾回收器收集，結(jié)束生命。新生區(qū)又分為兩部分：伊甸區(qū)（Eden space）和幸存者區(qū)（Survivor pace），所有的類都是在伊甸區(qū)被new出來的。幸存區(qū)有兩個：0區(qū)（Survivor 0 space）和1區(qū)（Survivor 1 space）。當(dāng)伊甸園的空間用完時，程序又需要創(chuàng)建對象，JVM的垃圾回收器將對伊甸園進(jìn)行垃圾回收（Minor GC）,將伊甸園中的剩余對象移動到幸存0區(qū)。若幸存0區(qū)也滿了，再對該區(qū)進(jìn)行垃圾回收，然后移動到1區(qū)。那如果1去也滿了呢？再移動到養(yǎng)老區(qū)。若養(yǎng)老區(qū)也滿了，那么這個時候?qū)a(chǎn)生Major GC（FullGCC），進(jìn)行養(yǎng)老區(qū)的內(nèi)存清理。若養(yǎng)老區(qū)執(zhí)行Full GC 之后發(fā)現(xiàn)依然無法進(jìn)行對象的保存，就會產(chǎn)生OOM異?！癘utOfMemoryError”。

     如果出現(xiàn)java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space異常，說明Java虛擬機(jī)的堆內(nèi)存不夠。原因有二：

    a.Java虛擬機(jī)的堆內(nèi)存設(shè)置不夠，可以通過參數(shù)-Xms、-Xmx來調(diào)整。

     b.代碼中創(chuàng)建了大量大對象，并且長時間不能被垃圾收集器收集（存在被引用）。

         養(yǎng)老區(qū)用于保存從新生區(qū)篩選出來的 JAVA 對象，一般池對象都在這個區(qū)域活躍。

         永久存儲區(qū)是一個常駐內(nèi)存區(qū)域，用于存放JDK自身所攜帶的 Class,Interface 的元數(shù)據(jù)，也就是說它存儲的是運(yùn)行環(huán)境必須的類信息，被裝載進(jìn)此區(qū)域的數(shù)據(jù)是不會被垃圾回收器回收掉的，關(guān)閉 JVM 才會釋放此區(qū)域所占用的內(nèi)存。

     如果出現(xiàn)java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space，說明是Java虛擬機(jī)對永久代Perm內(nèi)存設(shè)置不夠。原因有二：

     a. 程序啟動需要加載大量的第三方j(luò)ar包。例如：在一個Tomcat下部署了太多的應(yīng)用。

     b. 大量動態(tài)反射生成的類不斷被加載，最終導(dǎo)致Perm區(qū)被占滿。

     說明：

     Jdk1.6及之前：常量池分配在永久代 。

     Jdk1.7：有，但已經(jīng)逐步“去永久代” 。

     Jdk1.8及之后：無(java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,這種錯誤將不會出現(xiàn)在JDK1.8中)。

     說明：方法區(qū)和堆內(nèi)存的異議：

     實(shí)際而言，方法區(qū)和堆一樣，是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲虛擬機(jī)加載的：類信息+普通常量+靜態(tài)常量+編譯器編譯后的代碼等等，雖然JVM規(guī)范將方法區(qū)描述為堆的一個邏輯部分，但它卻還有一個別名叫做Non-Heap（非堆），目的就是要和堆分開。

     對于HotSpot虛擬機(jī)，很多開發(fā)者習(xí)慣將方法區(qū)稱之為“永久代（Parmanent Gen）”,但嚴(yán)格本質(zhì)上說兩者不同，或者說使用永久代來實(shí)現(xiàn)方法區(qū)而已，永久代是方法區(qū)的一個實(shí)現(xiàn)，jdk1.7的版本中，已經(jīng)將原本放在永久代的字符串常量池移走。

     常量池（Constant Pool）是方法區(qū)的一部分，Class文件除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息就是常量池，這部分內(nèi)容將在類加載后進(jìn)入方法區(qū)的運(yùn)行時常量池中存放。

5.堆內(nèi)存調(diào)優(yōu)簡介

代碼測試：

   
   
  

    public static void main(String[] args){
         long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();
         Long totalMemory = Runtime. getRuntime().totalMemory();
         System.out.println("MAX_MEMORY ="+maxMemory +"(字節(jié))、"+(maxMemory/(double)1024/1024) + "MB");
         System.out.println("TOTAL_ MEMORY = "+totalMemory +"(字節(jié))"+(totalMemory/(double)1024/1024) + "MB");

說明：在Run as ->Run Configurations中輸入"-XX:+PrintGCDetails"可以查看堆內(nèi)存運(yùn)行原理圖：

(1) 在jdk1.7中：

 (2) 在jdk1.8中:

6.通過參數(shù)設(shè)置自動觸發(fā)垃圾回收：

public class JVMTest {

     public static void main(String[] args){

          long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();//返回Java虛擬機(jī)試圖使用的最大內(nèi)存量。

          Long totalMemory = Runtime. getRuntime().totalMemory();//返回Java虛擬機(jī)中的內(nèi)存總量。

          System.out.println("MAX_MEMORY ="+maxMemory +"(字節(jié))、"+(maxMemory/(double)1024/1024) + "MB");

          System.out.println("TOTAL_ MEMORY = "+totalMemory +"(字節(jié))"+(totalMemory/(double)1024/1024) + "MB");

          while(true){

          }

     }

}

 在Run as ->Run Configurations中輸入設(shè)置“-Xmx8m –Xms8m –xx:+PrintGCDetails”可以參看垃圾回收機(jī)制原理:

看完上述內(nèi)容，你們掌握J(rèn)VM運(yùn)行原理是怎么樣的呢的方法了嗎？如果還想學(xué)到更多技能或想了解更多相關(guān)內(nèi)容，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝各位的閱讀！