Java——JVM篇——收藏系列來(lái)啦（一）

1 基本概念：
JVM 是可運(yùn)行 Java 代碼的假想計(jì)算機(jī) ，包括一套字節(jié)碼指令集、一組寄存器、一個(gè)棧、 一個(gè)垃圾回收，堆 和 一個(gè)存儲(chǔ)方法域。JVM 是運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的，它與硬件沒(méi)有直接 的交互。

2 運(yùn)行過(guò)程：
我們都知道 Java 源文件，通過(guò)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(guò) 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(tái)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(tái)的原因了 ，當(dāng)一個(gè)程序從開始運(yùn)行，這時(shí)虛擬機(jī)就開始實(shí)例化了，多個(gè)程序啟動(dòng)就會(huì) 存在多個(gè)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(gè)虛擬機(jī)實(shí)例之間數(shù)據(jù)不 能共享。

2.1.線程
這里所說(shuō)的線程指程序執(zhí)行過(guò)程中的一個(gè)線程實(shí)體。JVM 允許一個(gè)應(yīng)用并發(fā)執(zhí)行多個(gè)線程。 Hotspot JVM 中的 Java 線程與原生操作系統(tǒng)線程有直接的映射關(guān)系。當(dāng)線程本地存儲(chǔ)、緩 沖區(qū)分配、同步對(duì)象、棧、程序計(jì)數(shù)器等準(zhǔn)備好以后，就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)操作系統(tǒng)原生線程。 Java 線程結(jié)束，原生線程隨之被回收。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度所有線程，并把它們分配到任何可 用的 CPU 上。當(dāng)原生線程初始化完畢，就會(huì)調(diào)用 Java 線程的 run() 方法。當(dāng)線程結(jié)束時(shí)， 會(huì)釋放原生線程和 Java 線程的所有資源。 Hotspot JVM 后臺(tái)運(yùn)行的系統(tǒng)線程主要有下面幾個(gè)：

2.2.JVM 內(nèi)存區(qū)域

JVM 內(nèi)存區(qū)域主要分為線程私有區(qū)域【程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧、本地方法區(qū)】、線程共享區(qū) 域【JAVA 堆、方法區(qū)】、直接內(nèi)存。 線程私有數(shù)據(jù)區(qū)域生命周期與線程相同, 依賴用戶線程的啟動(dòng)/結(jié)束 而 創(chuàng)建/銷毀(在 Hotspot VM 內(nèi), 每個(gè)線程都與操作系統(tǒng)的本地線程直接映射, 因此這部分內(nèi)存區(qū)域的存/否跟隨本地線程的 生/死對(duì)應(yīng))。 線程共享區(qū)域隨虛擬機(jī)的啟動(dòng)/關(guān)閉而創(chuàng)建/銷毀。 直接內(nèi)存并不是 JVM 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分, 但也會(huì)被頻繁的使用: 在 JDK 1.4 引入的 NIO 提 供了基于 Channel 與 Buffer 的 IO 方式, 它可以使用 Native 函數(shù)庫(kù)直接分配堆外內(nèi)存, 然后使用 DirectByteBuffer 對(duì)象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作(詳見: Java I/O 擴(kuò)展), 這樣就避免了在 Java 堆和 Native 堆中來(lái)回復(fù)制數(shù)據(jù), 因此在一些場(chǎng)景中可以顯著提高性能。

2.2.1. 程序計(jì)數(shù)器(線程私有)
一塊較小的內(nèi)存空間, 是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器，每條線程都要有一個(gè)獨(dú)立的 程序計(jì)數(shù)器，這類內(nèi)存也稱為“線程私有”的內(nèi)存。 正在執(zhí)行 java 方法的話，計(jì)數(shù)器記錄的是虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址（當(dāng)前指令的地址）。如 果還是 Native 方法，則為空。 這個(gè)內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在虛擬機(jī)中沒(méi)有規(guī)定任何 OutOfMemoryError 情況的區(qū)域。

2.2.2. 虛擬機(jī)棧(線程私有)
是描述java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，每個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀（Stack Frame） 用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成 的過(guò)程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過(guò)程。 棧幀（ Frame）是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和部分過(guò)程結(jié)果的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也被用來(lái)處理動(dòng)態(tài)鏈接 (Dynamic Linking)、 方法返回值和異常分派（ Dispatch Exception）。棧幀隨著方法調(diào)用而創(chuàng)建，隨著方法結(jié)束而銷毀——無(wú)論方法是正常完成還是異常完成（拋出了在方法內(nèi)未被捕獲的異 常）都算作方法結(jié)束。

2.2.3. 本地方法區(qū)(線程私有)
本地方法區(qū)和 Java Stack 作用類似, 區(qū)別是虛擬機(jī)棧為執(zhí)行 Java 方法服務(wù), 而本地方法棧則為 Native 方法服務(wù), 如果一個(gè) VM 實(shí)現(xiàn)使用 C-linkage 模型來(lái)支持 Native 調(diào)用, 那么該棧將會(huì)是一個(gè) C 棧，但 HotSpot VM 直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。

2.2.4. 堆（Heap-線程共享）-運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)
是被線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，創(chuàng)建的對(duì)象和數(shù)組都保存在 Java 堆內(nèi)存中，也是垃圾收集器進(jìn)行 垃圾收集的最重要的內(nèi)存區(qū)域。由于現(xiàn)代 VM 采用分代收集算法, 因此 Java 堆從 GC 的角度還可以 細(xì)分為: 新生代(Eden 區(qū)、From Survivor 區(qū)和 To Survivor 區(qū))和老年代。

2.2.5. 方法區(qū)/永久代（線程共享）
即我們常說(shuō)的永久代(Permanent Generation), 用于存儲(chǔ)被 JVM 加載的類信息、常量、靜 態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù). HotSpot VM把GC分代收集擴(kuò)展至方法區(qū), 即使用Java 堆的永久代來(lái)實(shí)現(xiàn)方法區(qū), 這樣 HotSpot 的垃圾收集器就可以像管理 Java 堆一樣管理這部分內(nèi)存, 而不必為方法區(qū)開發(fā)專門的內(nèi)存管理器(永久帶的內(nèi)存回收的主要目標(biāo)是針對(duì)常量池的回收和類型 的卸載, 因此收益一般很小)。 運(yùn)行時(shí)常量池（Runtime Constant Pool）是方法區(qū)的一部分。Class 文件中除了有類的版 本、字段、方法、接口等描述等信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用，這部分內(nèi)容將在類加 載后存放到方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中。 Java 虛擬機(jī)對(duì) Class 文件的每一部分（自然也包括常量 池）的格式都有嚴(yán)格的規(guī)定，每一個(gè)字節(jié)用于存儲(chǔ)哪種數(shù)據(jù)都必須符合規(guī)范上的要求，這樣才會(huì) 被虛擬機(jī)認(rèn)可、裝載和執(zhí)行。

2.3.JVM 運(yùn)行時(shí)內(nèi)存
Java 堆從 GC 的角度還可以細(xì)分為: 新生代(Eden 區(qū)、From Survivor 區(qū)和 To Survivor 區(qū))和老年 代。

2.3.1. 新生代
是用來(lái)存放新生的對(duì)象。一般占據(jù)堆的 1/3 空間。由于頻繁創(chuàng)建對(duì)象，所以新生代會(huì)頻繁觸發(fā) MinorGC 進(jìn)行垃圾回收。新生代又分為 Eden 區(qū)、ServivorFrom、ServivorTo 三個(gè)區(qū)。

2.3.1.1. Eden 區(qū)
Java 新對(duì)象的出生地（如果新創(chuàng)建的對(duì)象占用內(nèi)存很大，則直接分配到老 年代）。當(dāng) Eden 區(qū)內(nèi)存不夠的時(shí)候就會(huì)觸發(fā) MinorGC，對(duì)新生代區(qū)進(jìn)行 一次垃圾回收。

2.3.1.2. ServivorFrom
上一次 GC 的幸存者，作為這一次 GC 的被掃描者。

2.3.1.3. ServivorTo
保留了一次 MinorGC 過(guò)程中的幸存者。

2.3.1.4. MinorGC 的過(guò)程（復(fù)制->清空->互換）
MinorGC 采用復(fù)制算法。

1：eden、servicorFrom 復(fù)制到 ServicorTo，年齡+1

首先，把 Eden 和 ServivorFrom 區(qū)域中存活的對(duì)象復(fù)制到 ServicorTo 區(qū)域（如果有對(duì)象的年 齡以及達(dá)到了老年的標(biāo)準(zhǔn)，則賦值到老年代區(qū)），同時(shí)把這些對(duì)象的年齡+1（如果 ServicorTo 不 夠位置了就放到老年區(qū)）；

2：清空 eden、servicorFrom

然后，清空 Eden 和 ServicorFrom 中的對(duì)象；

3：ServicorTo 和 ServicorFrom 互換

最后，ServicorTo 和 ServicorFrom 互換，原 ServicorTo 成為下一次 GC 時(shí)的 ServicorFrom 區(qū)。

2.3.2. 老年代
主要存放應(yīng)用程序中生命周期長(zhǎng)的內(nèi)存對(duì)象。 老年代的對(duì)象比較穩(wěn)定，所以 MajorGC 不會(huì)頻繁執(zhí)行。在進(jìn)行 MajorGC 前一般都先進(jìn)行 了一次 MinorGC，使得有新生代的對(duì)象晉身入老年代，導(dǎo)致空間不夠用時(shí)才觸發(fā)。當(dāng)無(wú)法找到足 夠大的連續(xù)空間分配給新創(chuàng)建的較大對(duì)象時(shí)也會(huì)提前觸發(fā)一次 MajorGC 進(jìn)行垃圾回收騰出空間。 MajorGC 采用標(biāo)記清除算法：首先掃描一次所有老年代，標(biāo)記出存活的對(duì)象，然后回收沒(méi) 有標(biāo)記的對(duì)象。MajorGC 的耗時(shí)比較長(zhǎng)，因?yàn)橐獟呙柙倩厥铡ajorGC 會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片，為了減 少內(nèi)存損耗，我們一般需要進(jìn)行合并或者標(biāo)記出來(lái)方便下次直接分配。當(dāng)老年代也滿了裝不下的 時(shí)候，就會(huì)拋出 OOM（Out of Memory）異常。

2.3.3. 永久代
指內(nèi)存的永久保存區(qū)域，主要存放 Class 和 Meta（元數(shù)據(jù)）的信息,Class 在被加載的時(shí)候被 放入永久區(qū)域，它和和存放實(shí)例的區(qū)域不同,GC 不會(huì)在主程序運(yùn)行期對(duì)永久區(qū)域進(jìn)行清理。所以這 也導(dǎo)致了永久代的區(qū)域會(huì)隨著加載的 Class 的增多而脹滿，最終拋出 OOM 異常。

2.3.3.1. JAVA8 與元數(shù)據(jù)
在 Java8 中，永久代已經(jīng)被移除，被一個(gè)稱為“元數(shù)據(jù)區(qū)”（元空間）的區(qū)域所取代。元空間 的本質(zhì)和永久代類似，元空間與永久代之間最大的區(qū)別在于：元空間并不在虛擬機(jī)中，而是使用 本地內(nèi)存。因此，默認(rèn)情況下，元空間的大小僅受本地內(nèi)存限制。類的元數(shù)據(jù)放入 native memory, 字符串池和類的靜態(tài)變量放入 java 堆中，這樣可以加載多少類的元數(shù)據(jù)就不再由 MaxPermSize 控制, 而由系統(tǒng)的實(shí)際可用空間來(lái)控制。

未完待續(xù)……
加VX：13272413561，提前一飽眼福