Java虚拟机

    终于又到了更新推文的时候了，好久没更新了。现在开始会给大家分享一下Java 虚拟机相关的知识，主要还是参考周明志老师的深入理解Java虚拟机一书，网上也有好多人做过相关的笔记，但我会尽力把文章写得与众不同。以前也有写Java虚拟机相关的知识，但没有系统地写，文章在这，有兴趣的小伙伴可以去看看。

1Java虚拟机启动过程

java 虚拟机的工作原理和特点主要是指操作系统装入Java虚拟机，这个过程是通过JDK中的Java.exe来完成,大致可分为以下四个步骤：

1.创建JVM装载环境和配置

2.装载JVM.dll

3.初始化JVM.dll并挂界到JNIENV(JNI调用接口)实例

4.调用JNIEnv实例装载并处理class类。

JVM启动过程

有兴趣的同学可以参考这篇《JVM虚拟机的启动流程原理》文章去了解JVM启动过程。

2Java虚拟机内存区域

主要介绍以下几种数据区：程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、Java堆和方法区。其中方法区和堆是线程共享的，而程序计数器，Java虚拟机栈，本地方法栈时线程私有的。

Java运行时数据区可由以下部分组成，见下图

JVM内存区域

程序计数器

    程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间。它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是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、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。可以类比51单片机的程序计数器，保存着下一条执行指令的地址，在进入中断和退出中断时都需要保存和恢复相关的寄存器。

    Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器的执行时间片来实现的，在任何一个确认的时刻，一个处理器都只会执行一条线程中的指令，因此未来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，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，即称为“线程私有的”。如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的就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Native方法，则这个计数器为空，此区域是唯一一个在Java虚拟机规范中，没有规定任何OOM情况的区域。

Java虚拟机栈

    与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期和线程一样。虚拟机栈是描述Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。每一个方法从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入栈到出栈的过程。

    局部变量表存放了编译期可知的各种数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）八种基本数据类型、对象引用（reference类型，它不等同与对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。其中64bit的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间--槽（slot），其余的数据只占用一个。局部变量表所需的空间在编译期即可分配完成，当进入一个方法时，这个方法在帧中需要分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

    在Java虚拟机规范中规定了这个区域的的两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机栈所允许的深度，将抛出StackOverFlowError异常。如果虚拟机栈可以动态扩展，但是扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OOM异常。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Satck)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别只不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。在HotSpot虚拟机中，直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与Java虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverFlowError和OOM异常。

Java堆

    Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理内存中最大的一块。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。这个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。这一点在Java虚拟机规范中的描述就是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT（Just In Time）即时编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，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逐渐变得不是那么绝对了（后面会继续给出解释）。

    Java堆是GC管理的主要区域，在很多时候也被称为GC堆(Garbage Collected Heap)。从内存回收的角度看，由于现在的收集器基本都是采用分代收集算法，所以Java堆还可以分为新生代和老年代。再细致一点的话，新生代还可以分为Eden空间，From Survivor空间和To Survivor空间。如果从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）。

    根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑上时连续的就可以了。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再拓展时，将会抛出OOM异常。

方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，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、JIT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堆分开。不仅如此，方法区除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或可拓展外，还可以选择不实现垃圾回收。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。同时该区域也会出现OOM异常。

运行时常量池和直接内存

    运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息就是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。这部分内容在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。运行时常量池相对于Class文件常量池的另一个重要特征是具备动态性。Java原因并不要求一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中。既然常量池是方法区中的一部分，自然也会抛出OOM异常。

    而直接内存（Direct Memory）并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。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也有可能抛出OOM异常。在JDK 1.4中加入了NIO类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。从操作系统方面来看，就是避免了在用户空间和内存空间来回复制数据的问题。

    

3JVM参数设置

VM Args

由于我们在JVM时经常要使用JVM的相关参数，这边就不把所有参数一一列举出来了，可以参考以下官方文档和中文文档。

官方文档：Java HotSpot VM Options

Java -XX参数介绍

以上就是关于Java虚拟机启动过程、内存区域已经JVM参数的相关知识，欢迎大家踊跃讨论。