JVM 全稱 Java Virtual Machine 是Java語言實現與平臺的無關性的關鍵锻煌。我們所說的 JVM硼补，狹義上指的就 HotSpot（因為JVM有很多版本，但是使用最多的是HotSpot）。如非特殊說明礁芦，我們都以 HotSpot 為準正勒。一般的高級語言如果要在不同的平臺上運行得院，至少需要編譯成不同的目標代碼。而引入Java語言虛擬機后章贞，Java語言在不同平臺上運行時不需要重新編譯尿招。Java語言使用模式Java虛擬機屏蔽了與具體平臺相關的信息，使得Java語言編譯程序只需生成在Java虛擬機上運行的目標代碼（字節(jié)碼），就可以在多種平臺上不加修改地運行就谜。
跨平臺：
JVM在執(zhí)行字節(jié)碼時怪蔑，把字節(jié)碼解釋成具體平臺上的機器指令執(zhí)行。相當于現實生活中的翻譯丧荐。

JVM作用.png

跨語言：
JVM只識別字節(jié)碼缆瓣，所以JVM其實跟語言是解耦的，也就是沒有直接關聯虹统，并不是它翻譯Java文件弓坞，而是識別class文件，這個一般稱之為字節(jié)碼车荔。還有像Groovy 渡冻、Kotlin、Jruby等等語言忧便，它們其實也是編譯成字節(jié)碼族吻，所以也可以在JVM上面跑，這個就是JVM的跨語言特征珠增。

JVM超歌、JRE、JDK的關系

JVM只是一個翻譯蒂教，把Class翻譯成機器識別的代碼巍举，但是需要注意，JVM 不會自己生成代碼，需要大家編寫代碼，同時需要很多依賴類庫瓶逃，這個時候就需要用到JRE。
JRE是什么定枷，它除了包含JVM之外，提供了很多的類庫（就是我們說的jar包届氢，它可以提供一些即插即用的功能欠窒，比如讀取或者操作文件，連接網絡退子，使用I/O等等之類的）這些東西就是JRE提供的基礎類庫岖妄。JVM 標準加上實現的一大堆基礎類庫，就組成了 Java 的運行時環(huán)境寂祥，也就是我們常說的 JRE（Java Runtime Environment）荐虐。
但對于程序員來說，JRE還不夠丸凭。我寫完要編譯代碼福扬，還需要調試代碼腕铸，還需要打包代碼、有時候還需要反編譯代碼铛碑。所以我們會使用JDK狠裹，因為JDK還提供了一些非常好用的小工具，比如 javac（編譯代碼）汽烦、java涛菠、jar （打包代碼）、javap（反編譯<反匯編>）等撇吞。這個就是JDK俗冻。

Java SE體系架構.png

Java程序的運行過程

Java程序的運行過程是javac工具先將.Java文件編譯成.class文件，然后執(zhí)行的過程中通過Java類加載器ClassLoader將class文件加載到JVM 運行時數據區(qū) 牍颈，通過解釋執(zhí)行和JIT等執(zhí)行引擎調用操作系統(tǒng)的接口迄薄。如圖所示：

Java程序的運行過程.png

運行時數據區(qū)域

了解Java虛擬機主要是理解其運行時數據區(qū)原理。Java 引以為豪的就是它的自動內存管理機制煮岁。相比于 C++的手動內存管理讥蔽、復雜難以理解的指針等，Java 程序寫起來就方便的多人乓。在 Java 中勤篮，JVM 內存主要分為堆都毒、程序計數器色罚、方法區(qū)、虛擬機棧和本地方法棧账劲。運行時數據區(qū)結構如圖所示

運行時數據區(qū).png

Java數據存儲結構圖

線程獨享的區(qū)域

程序計數器

小的內存空間戳护，當前線程執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器；各線程之間獨立存儲瀑焦，互不影響腌且。程序計數器是一塊很小的內存空間，主要用來記錄各個線程執(zhí)行的字節(jié)碼的地址榛瓮，例如铺董，分支、循環(huán)禀晓、跳轉精续、異常、線程恢復等都依賴于計數器粹懒。由于 Java 是多線程語言重付，當執(zhí)行的線程數量超過 CPU 核數時，線程之間會根據時間片輪詢爭奪 CPU 資源凫乖。如果一個線程的時間片用完了确垫，或者是其它原因導致這個線程的 CPU 資源被提前搶奪弓颈，那么這個退出的線程就需要單獨的一個程序計數器，來記錄下一條運行的指令删掀。
程序計數器也是JVM中唯一不會OOM(OutOfMemory)的內存區(qū)域

虛擬機棧

虛擬機棧在JVM運行過程中存儲當前線程運行方法所需的數據翔冀，指令、返回地址爬迟。Java 虛擬機棧是基于線程的橘蜜。哪怕你只有一個 main() 方法，也是以線程的方式運行的付呕。在線程的生命周期中计福，參與計算的數據會頻繁地入棧和出棧，棧的生命周期是和線程一樣的徽职。棧里的每條數據象颖，就是棧幀。在每個 Java 方法被調用的時候姆钉，都會創(chuàng)建一個棧幀说订，并入棧。一旦完成相應的調用潮瓶，則出棧陶冷。所有的棧幀都出棧后，線程也就結束了毯辅。

棧幀

棧幀埂伦，虛擬機棧的存儲單元，虛擬機棧中存放著一個或多個棧幀思恐。每個棧幀沾谜，都包含四個區(qū)域：(局部變量表、操作數棧胀莹、動態(tài)連接基跑、返回地址)。棧的大小缺省為1M描焰，可用參數 –Xss調整大小媳否，例如-Xss256k

局部變量表

用于存放我們的局部變量的。首先它是一個32位的長度荆秦，主要存放我們的Java的八大基礎數據類型篱竭，一般32位就可以存放下，如果是64位的就使用高低位占用兩個也可以存放下萄凤，如果是局部的一些對象室抽，比如我們的Object對象，我們只需要存放它的一個引用地址即可靡努。

操作數棧

它就是一個棧坪圾，先進后出的棧結構晓折，操作數棧，就是用來操作的兽泄，操作的的元素可以是任意的java數據類型漓概，所以我們知道一個方法剛剛開始的時候，這個方法的操作數棧就是空的病梢，操作數棧運行方法就是JVM一直運行入棧/出棧的操作胃珍。在JVM中，基于解釋執(zhí)行的這種方式是基于棧的引擎蜓陌，這個說的棧觅彰，就是操作數棧。

動態(tài)連接

Java語言特性多態(tài)（需要類運行時才能確定具體的方法）钮热。

返回地址

正常返回（調用程序計數器中的地址作為返回）填抬、異常的話（通過異常處理器表<非棧幀中的>來確定）

一個簡單的work方法對應于在運行時數據區(qū)的字節(jié)碼

Java代碼對應的字節(jié)碼.png

字節(jié)碼的描述

本地方法棧

本地方法棧跟 Java 虛擬機棧的功能類似隧期，Java 虛擬機棧用于管理 Java 函數的調用飒责，而本地方法棧則用于管理本地方法的調用。但本地方法并不是用 Java 實現的仆潮，而是由 C 語言實現的宏蛉。本地方法棧是和虛擬機棧非常相似的一個區(qū)域，它服務的對象是 native 方法性置。你甚至可以認為虛擬機棧和本地方法棧是同一個區(qū)域拾并。虛擬機規(guī)范無強制規(guī)定，各版本虛擬機自由實現 蚌讼，HotSpot直接把本地方法棧和虛擬機棧合二為一

線程共享的區(qū)域

方法區(qū)/永久代

很多開發(fā)者都習慣將方法區(qū)稱為“永久代”辟灰，其實這兩者并不是等價的个榕。HotSpot 虛擬機使用永久代來實現方法區(qū)篡石，但在其它虛擬機中，例如西采，Oracle 的 JRockit凰萨、IBM 的 J9 就不存在永久代一說。因此械馆，方法區(qū)只是 JVM 中規(guī)范的一部分胖眷，可以說，在 HotSpot 虛擬機中霹崎，設計人員使用了永久代來實現了 JVM 規(guī)范的方法區(qū)珊搀。
方法區(qū)主要是用來存放已被虛擬機加載的類相關信息，包括類信息尾菇、靜態(tài)變量境析、常量囚枪、運行時常量池、字符串常量池劳淆。
JVM 在執(zhí)行某個類的時候链沼，必須先加載。在加載類（加載沛鸵、驗證括勺、準備、解析曲掰、初始化）的時候疾捍，JVM 會先加載 class 文件，而在 class 文件中除了有類的版本栏妖、字段拾氓、方法和接口等描述信息外，還有一項信息是常量池 (Constant Pool Table)底哥，用于存放編譯期間生成的各種字面量和符號引用咙鞍。
字面量包括字符串（String a=“b”）、基本類型的常量（final 修飾的變量）趾徽，符號引用則包括類和方法的全限定名（例如 String 這個類续滋，它的全限定名就是 Java/lang/String）、字段的名稱和描述符以及方法的名稱和描述符孵奶。而當類加載到內存中后疲酌，JVM 就會將 class 文件常量池中的內容存放到運行時的常量池中；在解析階段JVM 會把符號引用替換為直接引用（對象的索引值）了袁。例如朗恳，類中的一個字符串常量在 class 文件中時，存放在 class 文件常量池中的载绿；在 JVM 加載完類之后粥诫，JVM 會將這個字符串常量放到運行時常量池中，并在解析階段崭庸，指定該字符串對象的索引值怀浆。運行時常量池是全局共享的，多個類共用一個運行時常量池怕享，class 文件中常量池多個相同的字符串在運行時常量池只會存在一份执赡。
方法區(qū)與堆空間類似，也是一個共享內存區(qū)函筋，所以方法區(qū)是線程共享的沙合。假如兩個線程都試圖訪問方法區(qū)中的同一個類信息，而這個類還沒有裝入 JVM跌帐，那么此時就只允許一個線程去加載它首懈，另一個線程必須等待芳来。在 HotSpot 虛擬機、Java7 版本中已經將永久代的靜態(tài)變量和運行時常量池轉移到了堆中猜拾，其余部分則存儲在 JVM 的非堆內存中即舌，而 Java8 版本已經將方法區(qū)中實現的永久代去掉了，并用元空間（class metadata）代替了之前的永久代挎袜，并且元空間的存儲位置是本地顽聂。

元空間大小參數：

jdk1.7及以前（初始和最大值）：-XX:PermSize；-XX:MaxPermSize盯仪；
jdk1.8以后（初始和最大值）：-XX:MetaspaceSize紊搪； -XX:MaxMetaspaceSize
jdk1.8以后大小就只受本機總內存的限制（如果不設置參數的話）

Java8 為什么使用元空間替代永久代，這樣做有什么好處呢全景？

官方給出的解釋是：移除永久代是為了融合 HotSpot JVM 與 JRockit VM 而做出的努力耀石，因為 JRockit 沒有永久代，所以不需要配置永久代爸黄。永久代內存經常不夠用或發(fā)生內存溢出滞伟，拋出異常 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen。這是因為在 JDK1.7 版本中炕贵，指定的 PermGen 區(qū)大小為 8M梆奈，由于 PermGen 中類的元數據信息在每次 FullGC 的時候都可能被收集，回收率都偏低称开，成績很難令人滿意亩钟；還有，為 PermGen 分配多大的空間很難確定鳖轰，PermSize 的大小依賴于很多因素清酥，比如，JVM 加載的 class 總數蕴侣、常量池的大小和方法的大小等焰轻。

堆

堆是 JVM 上最大的內存區(qū)域，我們申請的幾乎所有的對象睛蛛，都是在這里存儲的鹦马。我們常說的垃圾回收胧谈，操作的對象就是堆忆肾。堆空間一般是程序啟動時，就申請了菱肖，但是并不一定會全部使用客冈。
隨著對象的頻繁創(chuàng)建，堆空間占用的越來越多稳强，就需要不定期的對不再使用的對象進行回收场仲。這個在 Java 中和悦，就叫作 GC（Garbage Collection）。那一個對象創(chuàng)建的時候渠缕，到底是在堆上分配鸽素，還是在棧上分配呢？這和兩個方面有關：對象的類型和在 Java 類中存在的位置亦鳞。
在常見的虛擬機中馍忽，將堆分為Eden區(qū)，From區(qū)燕差，To區(qū)和老年代四塊區(qū)域遭笋。
Eden區(qū)，From區(qū)徒探，To區(qū)和老年代內存大小比例為：8:1:1:20

堆區(qū)域劃分

堆大小參數：

-Xms：堆的最小值瓦呼；
-Xmx：堆的最大值；
-Xmn：新生代的大胁獍怠央串；
-XX:NewSize；新生代最小值碗啄；
-XX:MaxNewSize：新生代最大值蹋辅；
例如- Xmx256m

虛擬機配置查看官網：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html#BABHDABI
可以了解更多虛擬機配置

直接內存

直接內存不是虛擬機運行時數據區(qū)的一部分，也不是java虛擬機規(guī)范中定義的內存區(qū)域挫掏；如果使用了NIO,這塊區(qū)域會被頻繁使用侦另，在java堆內可以用directByteBuffer對象直接引用并操作；這塊內存不受java堆大小限制尉共，但受本機總內存的限制褒傅，可以通過-XX:MaxDirectMemorySize來設置（默認與堆內存最大值一樣），所以也會出現OOM異常袄友。

JVM內存區(qū)域模型.png

從底層深入理解運行時數據區(qū)

開啟HSDB工具
Jdk1.8啟動JHSDB的時候必須將sawindbg.dll復制到對應目錄的jre下

image.png

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_101\lib
執(zhí)行 java -cp .\sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

image.png

1. JVM 向操作系統(tǒng)申請內存，JVM 第一步就是通過配置參數或者默認配置參數向操作系統(tǒng)申請內存空間剧蚣。
2. JVM 獲得內存空間后支竹，會根據配置參數分配堆、棧以及方法區(qū)的內存大小鸠按。
3. 完成上一個步驟后礼搁， JVM 首先會執(zhí)行構造器，編譯器會在.java 文件被編譯成.class 文件時目尖，收集所有類的初始化代碼馒吴，包括靜態(tài)變量賦值語句、靜態(tài)代碼塊、靜態(tài)方法饮戳，靜態(tài)變量和常量放入方法區(qū)
4. 執(zhí)行方法豪治。啟動 main 線程，執(zhí)行 main 方法扯罐，開始執(zhí)行第一行代碼负拟。此時堆內存中會創(chuàng)建一個 Teacher 對象，對象引用 student 就存放在棧中歹河。具體的操作如上面的字節(jié)碼操作過程齿椅。

深入辨析堆和棧

功能

1.以棧幀的方式存儲方法調用的過程，并存儲方法調用過程中基本數據類型的變量（int启泣、short涣脚、long、byte寥茫、float遣蚀、double、boolean纱耻、char等）以及對象的引用變量芭梯，其內存分配在棧上，變量出了作用域就會自動釋放弄喘；
2.而堆內存用來存儲Java中的對象玖喘。無論是成員變量，局部變量蘑志，還是類變量累奈，它們指向的對象都存儲在堆內存中；

線程獨享還是共享

1.棧內存歸屬于單個線程急但，每個線程都會有一個棧內存澎媒，其存儲的變量只能在其所屬線程中可見，即棧內存可以理解成線程的私有內存波桩。
2.堆內存中的對象對所有線程可見戒努。堆內存中的對象可以被所有線程訪問。

空間大小

棧的內存要遠遠小于堆內存

內存溢出

棧溢出

HotSpot版本中棧的大小是固定的镐躲，是不支持拓展的储玫。
java.lang.StackOverflowError 一般的方法調用是很難出現的，如果出現了可能會是無限遞歸萤皂。
虛擬機棧帶給我們的啟示：方法的執(zhí)行因為要打包成棧楨撒穷，所以天生要比實現同樣功能的循環(huán)慢，所以樹的遍歷算法中：遞歸和非遞歸(循環(huán)來實現)都有存在的意義敌蚜。遞歸代碼簡潔桥滨，非遞歸代碼復雜但是速度較快。
OutOfMemoryError：不斷建立線程弛车，JVM申請棧內存齐媒，機器沒有足夠的內存。

堆溢出

內存溢出：申請內存空間,超出最大堆內存空間纷跛。

方法區(qū)溢出

1.運行時常量池溢出
2.方法區(qū)中保存的Class對象沒有被及時回收掉或者Class信息占用的內存超過了我們配置喻括。
注意Class要被回收，條件比較苛刻（僅僅是可以贫奠，不代表必然唬血，因為還有一些參數可以進行控制）：
(1)該類所有的實例都已經被回收，也就是堆中不存在該類的任何實例唤崭。
(2)加載該類的ClassLoader已經被回收拷恨。
(3)該類對應的java.lang.Class對象沒有在任何地方被引用，無法在任何地方通過反射訪問該類的方法谢肾。

本機直接內存溢出

接內存的容量可以通過MaxDirectMemorySize來設置（默認與堆內存最大值一樣）腕侄，所以也會出現OOM異常；由直接內存導致的內存溢出芦疏，一個比較明顯的特征是在HeapDump文件中不會看見有什么明顯的異常情況冕杠，如果發(fā)生了OOM，同時Dump文件很小酸茴，可以考慮重點排查下直接內存方面的原因分预。

虛擬機優(yōu)化技術

編譯優(yōu)化技術——方法內聯

方法內聯的優(yōu)化行為，就是把目標方法的代碼原封不動的“復制”到調用的方法中薪捍，避免真實的方法調用而已笼痹。

棧的優(yōu)化技術——棧幀之間數據的共享

在一般的模型中，兩個不同的棧幀的內存區(qū)域是獨立的酪穿，但是大部分的JVM在實現中會進行一些優(yōu)化与倡，使得兩個棧幀出現一部分重疊。（主要體現在方法中有參數傳遞的情況）昆稿，讓下面棧幀的操作數棧和上面棧幀的部分局部變量重疊在一起纺座，這樣做不但節(jié)約了一部分空間，更加重要的是在進行方法調用時就可以直接公用一部分數據溉潭，無需進行額外的參數復制傳遞了净响。