【JAVA秒会技术之JVM】JVM独家剖析（一）

JVM独家剖析（一）

一、JVM概述

        JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，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。Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性，“一次编译，到处运行”。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。

    那么，JVM的底层实现原理究竟什么呢？下面，博主就以《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》一书为主要依据，结合部分网络资料，带着大家一起来解读JVM!

二、JVM结构

1.Java平台的逻辑结构

 

从上图的关系，我们可以简单理解为：

JRE = JVM + 类库。

JDK = JRE + JAVA的开发工具。

3.JVM的物理结构

 

      JVM逻辑结构主要包括两个子系统和两个组件。两个子系统分别是Classloader(类加载器)子系统和Executionengine(执行引擎)子系统；两个组件分别是Runtimedataarea(运行时数据区域)组件和Nativeinterface(本地接口)组件。

下面博主将对图上的每一个部分，逐一介绍：

   （1）Classloader子系统

根据给定的全限定名类名(如java.lang.Object)来装载class文件的内容到运行时数据域中的方法区域。Java程序员可以继承ClassLoader类来写自己Classloader。

   （2）Executionengine子系统

执行classes中的指令。任何JVMspecification实现(JDK)的核心都是Executionengine，不同的JDK例如Sun的JDK和IBM的JDK好坏主要就取决于他们各自实现的Executionengine的好坏。

   （3）Nativeinterface组件

与nativelibraries交互，是其它编程语言交互的接口。当调用native方法的时候，就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界，所以也很容易出现JVM无法控制的nativeheapOutOfMemory。

  （4）RuntimeDataArea组件

  这就是我们常说的JVM的内存了。它主要分为五个部分：

     1）PC寄存器

Java 虚拟机可以支持多条线程同时执行，而每一条线程都有自己的 PC（Program Counter）寄存器，简称“线程私有”。在任意时刻，一条 Java 虚拟机线程只会执行一个方法的代码，这个正在被线程执行的方法称为该线程的当前方法（Current Method）。

如果这个方法不是 native的，那 PC 寄存器就保存 Java 虚拟机正在执行的字节码指令的地址；如果该方法是 native 的，那 PC 寄存器的值是 undefined。

    2）Java 虚拟机栈

    线程私有，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，每个方法执行都会创建一个栈帧。

栈帧(Stack Frame)：，每一个栈帧都有自己的局部变量表（Local Variables）、操作数栈（Operand Stack）和动态链接（Dynamic Linking）。

局部变量表：存放编译时的8中基本数据类型、引用类型和returnAddress类型（指向一条字节码指令地址）。

操作数栈：是一个后进先出（Last-In-First-Out，LIFO）栈。

动态链接：是一个指向当前方法所属的类的运行时常量池的引用。

方法区有两种异常：

线程请求栈深度大于虚拟机栈深度，抛出StackOverflowError异常。

动态拓展时无法申请到足够内存，抛出OutOfMemoryError异常。

   3）Java堆

   Java堆（Java Heap）是Java虚拟机管理的最大内存区域，虚拟机启动时创建，所有线程共享该内存。该内存唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在此分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，也被成为“GC堆”。在对GC堆的划分上，JDK1.7及以前的版本，和JDK1.8是有明显不同的。

JDK1.7及之前，堆内存通常被分为三块区域：新生代(Young Generation)、老年代(Old Generation)、永久代(Permanent Generation for VM Matedata)

 

    新生代：用来存放生命周期较短的对象，而新生代又使用复制算法进行GC ，又将其按照8:1:1的比例分为一块较大的Eden空间和2个较小的From Survivor和To Survivor空间。

    老年代：用来存放生命周期较长的对象。

    永久内存：用来存放对象的方法、变量等元数据信息。

    Xms Java堆初始内存，默认值为物理内存的1/64，当可用的Java堆内存小于40%时，JVM会将内存调整至-Xmx所允许的最大值

    Xmx Java堆最大内存，默认值为物理内存的1/4，当可用的Java堆内存大于70%时，JVM会将内存调整至-Xms所指定的初始值

一个对象被创建后，首先被放到新生代的Eden内存中，如果存活期超两个Survivor之后,就会被转移到长时内存(Old Generation)中；

    通过如果永久内存不够，我们就会得到如下错误：

    Java.lang.OutOfMemoryError: PermGen

    解决：

    Eclipse中，点击“Run”→"Run Configurations",在打开的窗口中点击“Arguments”选项卡。在VM arguments中内容最下边输入如下内容后重启：

-Xms256m -Xmx512m -XX:MaxNewSize=256m -XX:MaxPermSize=256m

     而在JDK8中情况发生了明显的变化，就是一般情况下你都不会得到这个错误，原因在于JDK8中把存放元数据中的永久内存从堆内存中移到了本地内存（Native Memory）中了。

     JDK8中JVM堆内存结构就变成了如下：

 

  这样永久内存就不再占用堆内存，它可以通过自动增长来避免JDK7以及前期版本中，常见的永久内存错误(java.lang.OutOfMemoryError: PermGen)，也许这个就是你的JDK升级到JDK8的理由之一吧。当然JDK8也提供了一个新的设置Matespace内存大小的参数，通过这个参数可以设置Matespace内存大小，这样我们可以根据自己项目的实际情况，避免过度浪费本地内存，达到有效利用。

     -XX:MaxMetaspaceSize=128m 设置最大的元内存空间128兆

  注意：如果不设置JVM将会根据一定的策略自动增加本地元内存空间。如果你设置的元内存空间过小，你的应用程序可能得到以下错误：

      java.lang.OutOfMemoryError: Metadata space

     4）方法区

  方法区和Java堆一样，是各个线程的共享的区域，它存储了每一个类的结构信息，例如运行时常量池（Runtime Constant Pool）、字段和方法数据、构造函数和普通方法的字节码内容、还包括一些在类、实例、接口初始化时用到的特殊方法。

  运行时常量池存放 Class 文件中的常量池（存放编译期生成的各种字面量和符号引用）；翻译出来的直接引用；运行期间产生的新的常量（譬如 String 类的 intern() 方法）。

      方法区的垃圾收集比较少见，主要针对常量池的回收和类型的卸载。当方法区无法满足内存分配需求时，会抛出OutOfMemoryError异常。

   5）本地方法栈

  与虚拟机栈功能类似，但虚拟机栈为Java方法服务，而本地方法栈为Native方法服务。也有 StackOverflowError和 OutOfMemoryError异常。

（5）直接内存 

 

  直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范定义中的内存区域。但这部分区域被频繁使用并可能引起OutOfMemoryError异常。

     NIO（New Input/Output）类中 ，可用使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 java 堆里面的 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。

  不受 java 堆大小的限制，但受本机总内存的大小及处理器寻址空间的限制，会抛出 OutOfMemoryError异常。

4.Java代码编译和执行的整个过程

      Java代码编译是由Java源码编译器来完成，流程图如下所示：

 

    Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成，流程图如下所示：

 

     Java代码编译和执行的整个过程包含了以下三个重要的机制：

   （1）Java源码编译机制

     Java 源码编译由以下三个过程组成：分析和输入到符号表、注解处理、语义分析和生成class文件；

   最后生成的class文件由以下部分组成：

     1）结构信息：包括class文件格式版本号及各部分的数量与大小的信息；

     2）元数据：对应于Java源码中声明与常量的信息。包含类/继承的超类/实现的接口的声明信息、域与方法声明信息和常量池；

     3）方法信息：对应Java源码中语句和表达式对应的信息。包含字节码、异常处理器表、求值栈与局部变量区大小、求值栈的类型记录、调试符号信息。

   （2）类加载机制

     JVM的类加载是通过ClassLoader及其子类来完成的，类的层次关系和加载顺序可以由下图来描述：

 

     1）Bootstrap ClassLoader /启动类加载器

     $JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++实现，不是ClassLoader子类

     2）Extension ClassLoader/扩展类加载器

  负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包

     3）App ClassLoader/ 系统类加载器 

   负责记载classpath中指定的jar包及目录中class

     4）Custom ClassLoader/用户自定义类加载器(java.lang.ClassLoader的子类)

   属于应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader加载过程中会先检查类是否被已加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查，只要某个classloader已加载就视为已加载此类，保证此类只所有ClassLoader加载一次。而加载顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试加载此类。

   （3）类加载双亲委派机制介绍和分析

   在这里，需要着重说明的是，JVM在加载类时默认采用的是双亲委派机制。通俗的讲，就是某个特定的类加载器在接到加载类的请求时，首先将加载任务委托给父类加载器，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父类加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载。

   （4）类执行机制

      JVM是基于栈的体系结构来执行class字节码的。线程创建后，都会产生程序计数器（PC）和栈（Stack），程序计数器存放下一条要执行的指令在方法内的偏移量，栈中存放一个个栈帧，每个栈帧对应着每个方法的每次调用，而栈帧又是有局部变量区和操作数栈两部分组成，局部变量区用于存放方法中的局部变量和参数，操作数栈中用于存放方法执行过程中产生的中间结果。