Java知识点总结

JVM概述

JVM是什么

JVM全称是Java Virtual Machine(Java虚拟机)。它之所以被称之为是“虚拟”的，就是因为它仅仅是由一个规范来定义的抽象计算机。我们平时经常使用的Sun HotSpot虚拟机只是其中一个具体的实现(另外还有BEA JRockit、IBM J9等等虚拟机)。
JVM的设计目标是提供一个基于抽象规格描述的计算机模型，为解释程序开发人员提供很好的灵活性，同时也确保Java代码可在符合该规范的任何系统上运行。JVM对其实现的某些方面给出了具体的定义，特别是对Java可执行代码，即字节码（Bytecode）的格式给出了明确的规格。这一规格包括操作码和操作数的语法和数值、标识符的数值表示方式、以及Java类文件中的Java对象、常量缓冲池在JVM的存储映象。这些定义为JVM解释器开发人员提供了所需的信息和开发环境。Java的设计者希望给开发人员以随心所欲使用Java的自由。
JVM是java的核心和基础，在java编译器和os平台之间的虚拟处理器。它是一种基于下层的操作系统和硬件平台并利用软件方法来实现的抽象的计算机，可以在上面执行java的字节码程序。

JRE/JDK/JVM是什么关系

JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java运行环境)，也就是Java平台。所有的Java 程序都要在JRE下才能运行。普通用户只需要运行已开发好的java程序，安装JRE即可。
JDK(Java Development Kit)是程序开发者用来来编译、调试java程序用的开发工具包。JDK的工具也是Java程序，也需要JRE才能运行。为了保持JDK的独立性和完整性，在JDK的安装过程中，JRE也是安装的一部分。所以，在JDK的安装目录下有一个名为jre的目录，用于存放JRE文件。
JVM(JavaVirtualMachine，Java虚拟机)是JRE的一部分。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。JVM有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。Java语言最重要的特点就是跨平台运行。使用JVM就是为了支持与操作系统无关，实现跨平台。

JVM的生命周期

当启动一个Java程序时，一个虚拟机实例也就诞生了。当该程序关闭退出，这个虚拟机实例也就随之消亡。如果在同一台计算机上同时运行三个Java程序，将得到三个Java虚拟机实例。每个Java程序都运行于它自己的Java虚拟机实例中。
JVM实例对应了一个独立运行的java程序，它是进程级别。
1、启动。
启动一个Java程序时，一个JVM实例就产生了，任何一个拥有publicstatic void main(String[] args)函数的class都可以作为JVM实例运行的起点
2、运行。
main()作为该程序初始线程的起点，任何其他线程均由该线程启动。JVM内部有两种线程：守护线程和非守护线程，main()属于非守护线程，守护线程通常由JVM自己使用，java程序也可以标明自己创建的线程是守护线程
3、消亡。
当程序中的所有非守护线程都终止时，JVM才退出；若安全管理器允许，程序也可以使用Runtime类或者System.exit()来退出

JVM运行原理

操作系统装入JVM是通过jdk中Java.exe来完成,通过下面4步来完成JVM环境。

1、JVM装入环境。
JVM提供的方式是操作系统的动态连接文件。既然是文件那就存在一个装入路径的问题，Java是怎么找这个路径的呢？下面基于Windows的实现的分析。
首先查找jre路径，Java是通过GetApplicationHomeapi来获得当前的Java.exe绝对路径，c:\jdk1.7.0_45\bin\Java.exe，然后截取到绝对路径c:\jdk1.7.0_45\，判断c:\jdk1.7.0_45\bin\Java.dll文件是否存在，如果存在就把c:\jdk1.7.0_45\作为jre路径，如果不存在则判断c:\jdk1.7.0_45\jre\bin\Java.dll是否存在，如果存在这c:\jdk1.7.0_45\jre作为jre路径，如果不存在调用GetPublicJREHome查HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\JavaSoft\JavaRuntime Environment\“当前JRE版本号”\JavaHome的路径为jre路径。
然后装载JVM.cfg文件。在我们的jdk目录中jre\bin\server和jre\bin\client都有JVM.dll文件存在，而Java正是通过JVM.cfg配置文件来管理这些不同版本的JVM.dll的。
最后获得JVM.dll的路径，JRE路径+\bin+\JVM类型字符串+\JVM.dll就是JVM的文件路径了，但是如果在调用Java程序时用-XXaltJVM=参数指定的路径path,就直接用path+\JVM.dll文件做为JVM.dll的文件路径。

2、装载JVM.dll
通过第一步已经找到了JVM的路径，Java通过LoadJavaVM来装入JVM.dll文件。装入工作很简单，就是调用Windows API函数：
LoadLibrary装载JVM.dll动态连接库．然后把JVM.dll中的导出函数JNI_CreateJavaVM和JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs挂接到InvocationFunctions变量的CreateJavaVM和GetDefaultJavaVMInitArgs函数指针变量上。JVM.dll的装载工作宣告完成。

3、初始化JVM。
挂接到JNIENV(JNI调用接口)实例，获得本地调用接口，这样就可以在Java中调用JVM的函数了。调用InvocationFunctions－>CreateJavaVM也就是JVM中JNI_CreateJavaVM方法获得JNIEnv结构的实例。

4、运行Java程序．
Java程序有两种方式一种是jar包，一种是class。运行jar（Java -jarXXX.jar）的时候，Java.exe调用GetMainClassName函数，该函数先获得JNIEnv实例然后调用Java类Java.util.jar.JarFileJNIEnv中方法getManifest()并从返回的Manifest对象中取getAttributes(“Main-Class”)的值即jar包中文件：META-INF/MANIFEST.MF指定的Main-Class的主类名作为运行的主类。之后main函数会调用Java.c中LoadClass方法装载该主类（使用JNIEnv实例的FindClass）。main函数直接调用Java.c中LoadClass方法装载该类。如果是执行class方法。main函数直接调用Java.c中LoadClass方法装载该类。
然后main函数调用JNIEnv实例的GetStaticMethodID方法查找装载的class主类中“publicstatic void main(String[] args)”方法，并判断该方法是否为public方法，然后调用JNIEnv实例的CallStaticVoidMethod方法调用该Java类的main方法。

JVM体系结构

JVM的体系结构图如下：

主要包括两个子系统和两个组件： Classloader(类装载器) 子系统，Execution engine(执行引擎) 子系统；Runtime data area (运行时数据区域)组件， Native interface(本地接口)组件。
Class loader子系统：根据给定的全限定名类名(如java.lang.Object)来装载class文件的内容到 Runtime data area中的method area(方法区域)。
Execution engine子系统：执行classes中的指令。方法的字节码是由Java虚拟机的指令序列构成的。每一条指令包含一个单字节的操作码，后面跟随0个或多个操作数。执行引擎执行字节码时，首先取得一个操作码，如果操作码有操作数，取得它的操作数。它执行操作码和跟随的操作数规定的动作，然后再取得下一个操作码。这个执行字节码的过程在线程完成前将一直持续。任何JVM实现的核心是Execution engine，换句话说：Sun 的JDK 和IBM的JDK好坏主要取决于他们各自实现的Execution engine的好坏。
Native interface组件 ：与nativelibraries交互，是其它编程语言交互的接口。Java里声明为native的方法多数在jdk/src//native里可以找到。其中可以是share，也就是平台中立的代码；也可以是某个具体平台。这个native目录里的结构跟Java源码结构一样是按包名来组织的。不过需要提醒的是，这些native方法不是“JVM”的，是“类库”的，不在JVM里面。
Runtime data area 组件：Java虚拟机定义了若干种程序运行时使用到的运行时数据区，有一些是随虚拟机的启动而创建，随虚拟机的退出而销毁，如堆、方法区。第二种则是与线程一一对应，随线程的开始和结束而创建和销毁，如Java栈，PC寄存器。

JVM相关

JVM定义了若干个程序执行期间使用的数据区域。这个区域里的一些数据在JVM启动的时候创建，在JVM退出的时候销毁。而其他的数据依赖于每一个线程，在线程创建时创建，在线程退出时销毁。

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
由于Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。因此，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，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
如果线程正在执行的是一个Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie 方法，这个计数器值则为空（Undefined）。
此内存区域是唯一一个在Java 虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

虚拟机栈

线程私有，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java 方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。
动画是由一帧一帧图片连续切换结果的结果而产生的，其实虚拟机的运行和动画也类似，每个在虚拟机中运行的程序也是由许多的帧的切换产生的结果，只是这些帧里面存放的是方法的局部变量，操作数栈，动态链接，方法返回地址和一些额外的附加信息组成。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虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

对于执行引擎来说，活动线程中，只有栈顶的栈帧是有效的，称为当前栈帧，这个栈帧所关联的方法称为当前方法。执行引擎所运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作。
局部变量表
局部变量表是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。在Java程序被编译成Class文件时，就在方法的Code属性的max_locals数据项中确定了该方法所需要分配的最大局部变量表的容量。
局部变量表的容量以变量槽（Slot）为最小单位，32位虚拟机中一个Slot可以存放一个32位以内的数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、reference和returnAddress八种）。
reference类型虚拟机规范没有明确说明它的长度，但一般来说，虚拟机实现至少都应当能从此引用中直接或者间接地查找到对象在Java堆中的起始地址索引和方法区中的对象类型数据。
returnAddress类型是为字节码指令jsr、jsr_w和ret服务的，它指向了一条字节码指令的地址。
虚拟机是使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程的，如果是实例方法（非static），那么局部变量表的第0位索引的Slot默认是用于传递方法所属对象实例的引用，在方法中通过this访问。
Slot是可以重用的，当Slot中的变量超出了作用域，那么下一次分配Slot的时候，将会覆盖原来的数据。Slot对对象的引用会影响GC（要是被引用，将不会被回收）。
系统不会为局部变量赋予初始值（实例变量和类变量都会被赋予初始值）。也就是说不存在类变量那样的准备阶段。
操作数栈
和局部变量区一样，操作数栈也是被组织成一个以字长为单位的数组。但是和前者不同的是，它不是通过索引来访问，而是通过标准的栈操作——压栈和出栈—来访问的。比如，如果某个指令把一个值压入到操作数栈中，稍后另一个指令就可以弹出这个值来使用。
虚拟机在操作数栈中存储数据的方式和在局部变量区中是一样的：如int、long、float、double、reference和returnType的存储。对于byte、short以及char类型的值在压入到操作数栈之前，也会被转换为int。
虚拟机把操作数栈作为它的工作区——大多数指令都要从这里弹出数据，执行运算，然后把结果压回操作数栈。比如，iadd指令就要从操作数栈中弹出两个整数，执行加法运算，其结果又压回到操作数栈中，看看下面的示例，它演示了虚拟机是如何把两个int类型的局部变量相加，再把结果保存到第三个局部变量的：
begin
iload_0 // push the int in local variable 0 ontothe stack
iload_1 //push the int in local variable 1 onto the stack
iadd // pop two ints, add them, push result
istore_2 // pop int, store into local variable 2
end

在这个字节码序列里，前两个指令iload_0和iload_1将存储在局部变量中索引为0和1的整数压入操作数栈中，其后iadd指令从操作数栈中弹出那两个整数相加，再将结果压入操作数栈。第四条指令istore_2则从操作数栈中弹出结果，并把它存储到局部变量区索引为2的位置。

动态连接
虚拟机运行的时候,运行时常量池会保存大量的符号引用，这些符号引用可以看成是每个方法的间接引用。如果代表栈帧A的方法想调用代表栈帧B的方法，那么这个虚拟机的方法调用指令就会以B方法的符号引用作为参数，但是因为符号引用并不是直接指向代表B方法的内存位置，所以在调用之前还必须要将符号引用转换为直接引用，然后通过直接引用才可以访问到真正的方法。
如果符号引用是在类加载阶段或者第一次使用的时候转化为直接应用，那么这种转换成为静态解析，如果是在运行期间转换为直接引用，那么这种转换就成为动态连接。
返回地址
方法的返回分为两种情况，一种是正常退出，退出后会根据方法的定义来决定是否要传返回值给上层的调用者，一种是异常导致的方法结束，这种情况是不会传返回值给上层的调用方法。
不过无论是那种方式的方法结束，在退出当前方法时都会跳转到当前方法被调用的位置，如果方法是正常退出的，则调用者的PC计数器的值就可以作为返回地址,，果是因为异常退出的，则是需要通过异常处理表来确定。
方法的的一次调用就对应着栈帧在虚拟机栈中的一次入栈出栈操作，因此方法退出时可能做的事情包括：恢复上层方法的局部变量表以及操作数栈，如果有返回值的话，就把返回值压入到调用者栈帧的操作数栈中，还会把PC计数器的值调整为方法调用入口的下一条指令。

异常
在Java 虚拟机规范中，对虚拟机栈规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError 异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java 虚拟机都可动态扩展，只不过Java 虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError 异常。

本地方法栈

本地方法栈（Native MethodStacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native 方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot 虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。
与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

堆

堆是Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java 堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。但是随着JIT 编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。
堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC 堆”。
堆的大小可以通过-Xms(最小值)和-Xmx(最大值)参数设置，-Xms为JVM启动时申请的最小内存，默认为操作系统物理内存的1/64但小于1G，-Xmx为JVM可申请的最大内存，默认为物理内存的1/4但小于1G，默认当空余堆内存小于40%时，JVM会增大Heap到-Xmx指定的大小，可通过-XX:MinHeapFreeRation=来指定这个比列；当空余堆内存大于70%时，JVM会减小heap的大小到-Xms指定的大小，可通过XX:MaxHeapFreeRation=来指定这个比列，对于运行系统，为避免在运行时频繁调整Heap的大小，通常-Xms与-Xmx的值设成一样。

如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java 堆中还可以细分为：新生代和老年代；
新生代：程序新创建的对象都是从新生代分配内存，新生代由Eden Space和两块相同大小的Survivor Space(通常又称S0和S1或From和To)构成，可通过-Xmn参数来指定新生代的大小，也可以通过-XX:SurvivorRation来调整Eden Space及SurvivorSpace的大小。
老年代：用于存放经过多次新生代GC仍然存活的对象，例如缓存对象，新建的对象也有可能直接进入老年代，主要有两种情况：1、大对象，可通过启动参数设置-XX:PretenureSizeThreshold=1024(单位为字节，默认为0)来代表超过多大时就不在新生代分配，而是直接在老年代分配。2、大的数组对象，且数组中无引用外部对象。
老年代所占的内存大小为-Xmx对应的值减去-Xmn对应的值。

如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError 异常。

方法区

方法区在一个jvm实例的内部，类型信息被存储在一个称为方法区的内存逻辑区中。类型信息是由类加载器在类加载时从类文件中提取出来的。类(静态)变量也存储在方法区中。
简单说方法区用来存储类型的元数据信息，一个.class文件是类被java虚拟机使用之前的表现形式，一旦这个类要被使用，java虚拟机就会对其进行装载、连接（验证、准备、解析）和初始化。而装载（后的结果就是由.class文件转变为方法区中的一段特定的数据结构。这个数据结构会存储如下信息：

类型信息
这个类型的全限定名
这个类型的直接超类的全限定名
这个类型是类类型还是接口类型
这个类型的访问修饰符
任何直接超接口的全限定名的有序列表

字段信息
字段名
字段类型
字段的修饰符

方法信息
方法名
方法返回类型
方法参数的数量和类型（按照顺序）
方法的修饰符

其他信息
除了常量以外的所有类（静态）变量
一个指向ClassLoader的指针
一个指向Class对象的指针
常量池（常量数据以及对其他类型的符号引用）

JVM为每个已加载的类型都维护一个常量池。常量池就是这个类型用到的常量的一个有序集合，包括实际的常量(string,integer,和floating point常量)和对类型，域和方法的符号引用。池中的数据项象数组项一样，是通过索引访问的。

每个类的这些元数据，无论是在构建这个类的实例还是调用这个类某个对象的方法，都会访问方法区的这些元数据。
构建一个对象时，JVM会在堆中给对象分配空间，这些空间用来存储当前对象实例属性以及其父类的实例属性（而这些属性信息都是从方法区获得），注意，这里并不是仅仅为当前对象的实例属性分配空间，还需要给父类的实例属性分配，到此其实我们就可以回答第一个问题了，即实例化父类的某个子类时，JVM也会同时构建父类的一个对象。从另外一个角度也可以印证这个问题：调用当前类的构造方法时，首先会调用其父类的构造方法直到Object，而构造方法的调用意味着实例的创建，所以子类实例化时，父类肯定也会被实例化。
类变量被类的所有实例共享，即使没有类实例时你也可以访问它。这些变量只与类相关，所以在方法区中，它们成为类数据在逻辑上的一部分。在JVM使用一个类之前，它必须在方法区中为每个non-final类变量分配空间。

方法区主要有以下几个特点：
1、方法区是线程安全的。由于所有的线程都共享方法区，所以，方法区里的数据访问必须被设计成线程安全的。例如，假如同时有两个线程都企图访问方法区中的同一个类，而这个类还没有被装入JVM，那么只允许一个线程去装载它，而其它线程必须等待
2、方法区的大小不必是固定的，JVM可根据应用需要动态调整。同时，方法区也不一定是连续的，方法区可以在一个堆(甚至是JVM自己的堆)中自由分配。
3、方法区也可被垃圾收集，当某个类不在被使用(不可触及)时，JVM将卸载这个类，进行垃圾收集

可以通过-XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 参数限制方法区的大小。
对于习惯在HotSpot 虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（PermanentGeneration），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot 虚拟机的设计团队选择把GC 分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9 等）来说是不存在永久代的概念的。
相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。

总结

名称 特征 作用 配置参数 异常 程序计数器 占用内存小，线程私有，生命周期与线程相同 大致为字节码行号指示器 无 无 虚拟机栈 线程私有，生命周期与线程相同，使用连续的内存空间 Java 方法执行的内存模型，存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息 -Xss StackOverflowError OutOfMemoryError Java堆 线程共享，生命周期与虚拟机相同，可以不使用连续的内存地址 保存对象实例，所有对象实例（包括数组）都要在堆上分配 -Xms -Xsx -Xmn OutOfMemoryError 方法区 线程共享，生命周期与虚拟机相同，可以不使用连续的内存地址 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 -XX:PermSize:16M -XX:MaxPermSize64M OutOfMemoryError 运行时常量池 方法区的一部分，具有动态性 存放字面量及符号引用