Java官网参考文档

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html (opens new window)

• JVM基础知识💯 JVM
  • JVM从编译到执行👍
  • 从跨平台到跨语言
  • JVM的发展
• JVM内存区域
  • 运行时数据区域的定义
  • JAVA 方法的运行与虚拟机栈
  • 程序计数器
  • 栈帧执行对内存区域的影响
  • 本地方法栈
  • 方法区（Method Area）
  • 堆
  • 直接内存（堆外内存）

JVM基础知识💯 JVM

JVM从编译到执行👍

Java程序的执行过程

• 过程： Java源文件（.java）——>编译器——>字节码——>JVM——>机器码
• 一个 Java 程序，首先Java源码经过 javac 编译成 .class 文件，然后JVM将其加载到方法区，执行引擎会执行这些字节码文件。执行时，会翻译成响应操作系统相关的函数。JVM作为 .class 文件翻译的存在，输入字节码，调用操作系统的函数。
• JVM 全称是 Java Virtual Machine ，我们俗称 Java 虚拟机。

1JDK、JRE、JVM的关系

JDK、JRE、JVM的关系图

• JDK（Java Development Kit）： JDK 是Java 开发工具包，是整个Java 的核心，包括了Java 运行环境JRE、Java 工具和Java 基础类库。常用的工具包有javac（编译代码）、java、jar （打包代码）、javap（反编译<反汇编>）等
• JRE（Java Runtime Environment）： JRE 是Java 运行环境，它除了包含JVM 之外，还提供了很多的类库（就是我们常说的jar），JVM 标准加上实现的一大堆基础类库，就组成了JRE（Java运行环境）。
• JVM（Java Virtual Machine）： JVM 就是我们所说的Java 虚拟机。JVM 只是一个翻译，把Class 翻译成机器识别的代码，但是需要注意，JVM 不会自己生成代码，需要大家编写代码，同时需要很多依赖类库，这个时候就需要用到JRE。
• JVM 的作用是：从软件层面屏蔽不同操作系统在底层硬件和指令的不同。这个就是我们在宏观方面对JVM 的一个认识。
• 同时JVM 是一个虚拟化的操作系统，类似于Linux 或者Windows 的操作系统，只是它架在操作系统上，接收字节码也就是class，把字节码翻译成操作系统上的机器码且进行执行。

从跨平台到跨语言

跨平台

• 同一个类可以在不同的操作系统（Windows、Linux、MacOS等）上执行，且效果一样，称之为Java的跨平台性质。（为了实现跨平台型，不同操作系统有对应的JDK 的版本。）

跨语言（语言无关性）

• JVM 只是别字节码，所以JVM 跟语言其实是解耦的，也就没有直接的关联，JVM 运行的不是Java 文件，而是识别javac 编译后的 .class文件，也就是我们的字节码。还有像Groovy 、Kotlin、Scala 等语言，它们其实也是编译成字节码，所以它们也可以在JVM 上面跑，这个就是JVM 的跨语言特征。
• Java 的跨语言性一定程度上奠定了非常强大的java 语言生态圈。

JVM的发展

常见的JVM

• Hotspot： 目前使用的最多的Java 虚拟机。在命令行java –version。它会输出你现在使用的虚拟机的名字、版本等信息、执行模式。
• Jrocket： 原来属于BEA 公司，曾号称世界上最快的JVM，后被Oracle 公司收购，合并于Hotspot。
• J9: IBM 有自己的java 虚拟机实现，它的名字叫做J9. 主要是用在IBM 产品（IBM WebSphere 和IBM 的AIX 平台上）。
• TaobaoVM： 只有一定体量、一定规模的厂商才会开发自己的虚拟机，比如淘宝有自己的VM,它实际上是Hotspot 的定制版，专门为淘宝准备的，阿里、天猫都是用的这款虚拟机。
• LiquidVM： 它是一个针对硬件的虚拟机，它下面是没有操作系统的（不是Linux 也不是windows）,下面直接就是硬件，运行效率比较高。
• zing： 它属于zual 这家公司，非常牛，是一个商业产品，很贵！它的垃圾回收速度非常快（1 毫秒之内），是业界标杆。它的一个垃圾回收的算法后来被Hotspot 吸收才有了现在的ZGC。

JVM内存区域

运行时数据区域的定义

• Java 虚拟机在执行Java 程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。
• 在JVM 中，JVM 内存主要分为堆、程序计数器、方法区、虚拟机栈和本地方法栈等。
• 同时按照与线程的关系也可以这么划分区域： 线程私有区域：一个线程拥有单独的一份内存区域 线程共享区域：被所有线程共享，且只有一份。
• 这里还有一个直接内存，这个虽然不是运行时数据区的一部分，但是会被频繁使用。可以理解成没有被虚拟机化的操作系统上的其他内存（比如操作 系统上有8G 内存，被JVM 虚拟化了3G，那么还剩余5G， JVM 是借助一些工具使用这5G 内存的，这个内存部分称之为直接内存）

JAVA 方法的运行与虚拟机栈

虚拟机栈

• 栈的数据结构：先进后出(FILO) 虚拟机栈是线程运行java 方法所需的数据，指令、返回地址。其实在我们实际的代码中，一个线程是可以运行多个方法的。比如： 这段代码很简单，就是多层的方法中调用其他方法，从栈帧角度分析：假设线程1运行这段代码时，就会有一个对应的虚拟机栈，同时执行每个方法的时候都会打包成一个栈帧，然后送到虚拟机栈中。具体入栈顺序如下： 由于栈是先进后出的数据结构，所以，C方法运行完了，C方法出栈，接着B方法运行完了，B方法出栈，接着A方法运行完了，A方法出栈，最后main方法运行完了，main方法这个栈帧就出栈了，综上方法出栈顺序依次是：C、B、A、mian。 这个就是Java 方法运行对虚拟机栈的一个影响。虚拟机栈就是用来存储线程运行方法中的数据的，而每一个方法对应一个栈帧。
• 虚拟机栈的作用 在JVM 运行过程中存储当前线程运行方法所需的数据，指令、返回地址等。
• 虚拟机栈的生命周期 虚拟机栈是基于线程的，在线程的生命周期中，参与计算的数据会频繁地入栈和出栈，栈的生命周期是和线程一样的。
• 栈的大小 虚拟机栈的大小缺省为1M，可用参数 –Xss 调整大小，例如-Xss256k。

栈帧

• 在每个Java 方法被调用的时候，都会创建一个栈帧，并入栈。一旦方法完成相应的调用，则出栈。
• 栈帧大体都包含四个区域：局部变量表、操作数栈、动态连接、返回地址。 1、局部变量表 局部变量的表，用来存储局部变量（方法中的变量）的。注意它是一个32 位的长度，主要存放我们的Java 的八大基础数据类型 （byte、short、int、long、float、double、char、boolean），一般32位就可以存放下，如果是64位的就使用高低位占用两个也可以存放下，如果是局部的一些对象，比如我们的Object 对象，我们只需存放它的引用地址即可。 2、操作数栈 操作数栈，就是以栈（先进后出）来操作任意的java 数据类型。 操作数栈本质上是JVM 执行引擎的一个工作区，也就是方法在执行，才会对操作数栈进行操作，如果代码不不执行，操作数栈其实就是空的，所以一个方法刚刚开始的时候，这个方法的操作数栈就是空的。 3、动态链接 Java语言特性多态（需要结合class 与执行引擎一起来讲）。 4、返回地址
• 正常返回（调用程序计数器中的地址作为返回）、异常的话（通过异常处理器表<非栈帧中的>来确定）。

栈溢出异常（StackOverflowError）

虚拟机栈的内存不是无限大，它有大小限制，默认情况下是1M。 如果我们不断的往虚拟机栈中入栈帧，但是就是不出栈的话，那么这个虚拟机栈就会爆掉。如下：

程序计数器

较小的内存空间，当前线程执行的字节码的行号指示器；各线程之间独立存储，互不影响。

• 作用： 程序计数器是一块很小的内存空间，主要用来记录各个线程执行的字节码的地址，例如，分支、循环、跳转、异常、线程恢复等都依赖于计数器。
• 为什么需要程序计数器？ 由于Java 是多线程语言，当执行的线程数量超过CPU 核数时，线程之间会根据 时间片轮询 争夺CPU 资源。如果一个线程的时间片用完了，或者是其它原因导致这个线程的CPU 资源被提前抢夺，那么这个退出的线程就需要单独的一个程序计数器，来记录下一条运行的指令。
• 程序计数器不记录native方法 因为JVM 是虚拟机，内部有完整的指令与执行的一套流程，所以在运行Java 方法的时候需要使用程序计数器（记录字节码执行的地址或行号），如果 是遇到本地方法（native 方法），这个方法不是JVM 来具体执行，所以JVM的程序计数器不需要记录了，但在操作系统层面也有一个程序计数器，这个会记录本地代码的执行的地址，所以在执行native 方法时，JVM 中程序计数器的值为空(Undefined)。
• 程序计数器也是JVM 中唯一不会OOM(OutOfMemory)的内存区域。

栈帧执行对内存区域的影响

本地方法栈

• 本地方法栈跟Java虚拟机栈的功能类似，区别在于，Java 虚拟机栈服务于Java 函数的调用，本地方法栈服务于本地方法的调用。需要注意的是，本地方法并不是Java 语言实现的，它是由更接近底层的C语言实现的。
• 由于本地方法栈和虚拟机栈是两个分成相似的区域，所以各个版本的虚拟机在遵循Java虚拟机规范可的前提下以可自由实现（简单点说就是只要你的虚拟机实现里面有这两块内容，这两块内容怎么实现，在哪儿实现都不限制），所以HotSpot 直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

方法区（Method Area）

• 方法区主要用来存放已经被虚拟机加载的类的相关信息，包括类信息、静态变量、常量、运行时常量池、字符串常量池等。
• 方法区是JVM 对内存的“逻辑划分”，在JDK1.7 及之前很多开发者都习惯将方法区称为“永久代”，是因为在HotSpot 虚拟机中，设计人员使用了永久代来实现了Java虚拟机规范的方法区。在JDK1.8 及以后使用了元空间来实现方法区。
• 方法区与堆空间类似，也是一个共享内存区，所以方法区是线程共享的。假如两个线程都试图访问方法区中的同一个类信息，而这个类还没有装入JVM，那么此时就只允许一个线程去加载它，另一个线程必须等待。

元空间（Metaspace）

在HotSpot 虚拟机、Java7 版本中已经将永久代的静态变量和运行时常量池转移到了堆中，其余部分则存储在JVM 的非堆内存中，而Java8 版本已经将方法区中实现的永久代去掉了，并用元空间（class metadata）代替了之前的永久代，并且元空间的存储位置是本地内存。

• 元空间大小参数：

• jdk1.7 及以前（初始和最大值）：-XX:PermSize；-XX:MaxPermSize；

• jdk1.8 以后（初始和最大值）：-XX:MetaspaceSize； -XX:MaxMetaspaceSize

• jdk1.8 以后大小就只受本机总内存的限制（如果不设置参数的话） Java官方文档参考 (opens new window)

• Java8 为什么使用元空间替代永久代，这样做有什么好处？ 官方给出的解释是： ①移除永久代是为了融合HotSpot JVM 与JRockit VM 而做出的努力，因为JRockit 没有永久代，所以不需要配置永久代。 ②永久代内存经常不够用或发生内存溢出，抛出异常java.lang.OutOfMemoryError: PermGen。这是因为在JDK1.7 版本中，指定的PermGen 区大小为8M，由于PermGen 中类的元数据信息在每次FullGC 的时候都可能被收集，回收率都偏低，成绩很难令人满意； ③还有为PermGen 分配多大的空间很难确定，PermSize 的大小依赖于很多因素，比如，JVM 加载的class 总数、常量池的大小和方法的大小等。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

• 运行时常量池是每一个类或者接口的常量池在运行时的表现形式，它包含了若干不同的常量：从编译期可知的数值字面量到必须* 运行期解析后才能获得的方法或字段引用*。
• 运行时常量池是方法区的一部分。
• 运行时常量池相对于Class 常量池的另外一个重要特征是具备动态性：运行期间也可以将新的常量放入池中（Class 常量池在类加载章节会具体讲）。

堆

• 堆是JVM 上最大的内存区域，我们申请的几乎所有的对象，都是在这里存储的。我们常说的垃圾回收，操作的对象就是堆。
• 堆空间一般是程序启动时，就申请了，但是并不一定会全部使用。堆一般设置成可伸缩的。
• 随着对象的频繁创建，堆空间占用的越来越多，就需要不定期的对不再使用的对象进行回收。这个在Java 中，就叫作GC（Garbage Collection）。

对象的分配

一个对象创建的时候，到底是在堆上分配，还是在栈上分配？

• 这和两个方面有关：对象的类型和在Java 类中存在的位置。我们都知道Java 的对象可以分为基本数据类型和普通对象。首先， 对于普通对象来说，JVM 会首先在堆上创建对象，然后在其他地方使用的其实是它的引用 。比如，把这个引用保存在虚拟机栈的局部变量表中。然后，*对于基本数据类型来说（byte、short、int、long、float、double、char) ，有两种情况，当你在方法体内声明了基本数据类型的对象，它就会在栈上直接分配（这里涉及逃逸分析）。其他情况，都是在堆上分配。

堆大小参数

-Xms：堆的最小值； -Xmx：堆的最大值； -Xmn：新生代的大小； -XX:NewSize；新生代最小值； -XX:MaxNewSize：新生代最大值；

直接内存（堆外内存）

• JVM 在运行时，会从操作系统申请大块的堆内存，进行数据的存储；同时还有虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器，这块称之为栈区。操作系统剩余的内存也就是堆外内存。
• 它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；如果使用了NIO,这块区域会被频繁使用，在java 堆内可以用directByteBuffer 对象直接引用并操作。
• 这块内存不受java 堆大小限制，但受本机总内存的限制，可以通过-XX:MaxDirectMemorySize 来设置（默认与堆内存最大值一样），所以也会出现OOM 异常。

小结

**1、直接内存主要是通过DirectByteBuffer 申请的内存，可以使用参数“MaxDirectMemorySize”来限制它的大小。 2、其他堆外内存，主要是指使用了Unsafe 或者其他JNI 手段直接直接申请的内存。 3、由于Java 没有自动管理堆外内存，所以我们要谨慎对堆外内存的使用，因为堆外内存的泄漏是非常严重的，它的排查难度高、影响大，甚至会造成主机的死亡。 ** 4、关于Unsafe说明： Oracle 之前计划在Java 9 中去掉sun.misc.Unsafe API。这里删除sun.misc.Unsafe 的原因之一是使Java 更加安全，并且有替代方案。