JVM体系结构（上）

开篇：围绕以下内容展开对JVM的分享，学习JVM能学到什么？

1.对JVM的理解？对类加载器的认识？Java8对虚拟机有什么更新？

2.什么是OOM？什么是StackOverflowError？有哪些方法分析？

3.JVM常用参数调优有哪些？

4.内存快照抓取和MAT分析DUMP文件

5.GC的四种算法

 

正文开始

JVM的位置：JVM运行在操作系统之上的，与硬件没有直接的交互。

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JVM体系结构图

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以上两张图是JVM总体架构图，接下来详细介绍JVM体系中各部分内容

JVM包括类加载器，本地方法栈，虚拟机栈（Java栈），方法区（永久区），堆，程序计数器，执行引擎，本地方法接口，GC

①.类加载器（ClassLoader）

类加载器只负责字节码文件（class文件）的加载，至于它是否可以运行，则是由Execution Engine决定。

Execution Engine执行引擎负责解释命令，提交操作系统执行。

四种类加载器：

1.启动加载器（BootStrap）C++：加载\lib目录下核心库

2.扩展加载器（Extension）Java：主要负责加载jre/lib/ext目录下的一些扩展的jar

3.应用程序加载器（AppClassLoader）Java，也叫系统加载器，加载当前应用的classpath的所有类

4.用户自定义加载器（Java.lang.ClassLoader的子类，用户可订制类的加载方式）

通过调用对象.getClass().getClassLoader() 可以获取相对应的类加载器，注意，如果是启动类加载器加载的类返回值为null，因为启动类加载器是由C++编写的，Java的代码访问不到。

双亲委派机制：（重点）

首先会检查请求加载的类是否已经被加载过；  
             若没有被加载过：  
             递归调用父类加载器的loadClass();  
             父类加载器为空后就使用启动类加载器加载；  
             如果父类加载器和启动类加载器均无法加载请求，则调用自身的加载功能

②.本地接口（Native Interface）

本地接口的作用是融合不同的编程语言为 Java 所用，它的初衷是融合 C/C++程序，Java 诞生的时候是 C/C++横行的时候，要想立足，必须要调用 C/C++程序，于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为 native的代码，它的具体做法是 Native Method Stack中（运行）登记 native方法，在Execution Engine 执行时加载native libraies。          

目前该方法使用的越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过 Java程序驱动打印机，或者 Java系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见。        

 因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用 Socket 通信，也可以使用 Web Service等等，不多做介绍。

③.本地方法栈（Native Method Stack）

它的具体做法是 Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine 执行时加载native libraies。

④.程序计数器（PC寄存器）

每个线程都有一个程序计数器，就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（下一个将要执行的指令代码），由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不记。

⑤.方法区（Method Area）重点

方法区是被所有线程共享，所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在此定义。

所有定义的方法的信息都保存在该区域，此区属于共享区间。 静态变量+常量+类信息+运行时常量池存在方法区中

实例变量存在堆内存中，和方法区无关（写在这里，是为了对比）

⑥.栈（Stack）重点（栈管运行，堆管存储）

栈也叫栈内存，主管Java程序的运行，是在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命周期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就Over，生命周期和线程一致，是线程私有的。

基本类型的变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分配。

当只有入栈没有出栈时，势必会导致栈溢出（java.lang.StackOverflowError）比如：无限递归

栈存储什么?

栈帧中主要保存3 类数据： 本地变量（Local Variables）:输入参数和输出参数以及方法内的变量；

栈操作（Operand Stack）:记录出栈、入栈的操作；

栈帧数据（Frame Data）:包括类文件、方法等。

栈运行原理：栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在，栈帧时一个内存区块，是一个数据集，是一个有关方法和运行期数据的数据集：

当一个方法A被调用时就产生了一个站帧F1，并被压入栈中：

A方法又调用了B方法，于是产生栈帧F2也被压入栈，

B方法又调用了C方法，于是产生栈帧F3也被压入栈，......

执行完毕后，先弹出F3栈帧，在弹出F2栈帧，在弹出F1栈帧.......

遵循“先进后出”（FILO）原则

tip：栈顶是正在执行的方法，栈底是main方法

⑦.堆（Heap）重点（栈管运行，堆管存储）（出现OOM的区域）

Heap：堆，一个JVM实例只存在一个堆内存，堆内存大小可以调节，类加载器读取了类文件后，需要把类，方法，常变量放到堆内存中，保存所有引用类型的真实信息，以方便执行器执行，堆内存（逻辑上）分为三部分：
            堆内存逻辑上示意图：

 

Young Generation Space      新生区

新生区是类的诞生、成长、消亡的区域，一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。

新生区又分为两部分： 伊甸区（Eden space）和幸存者区（Survivor pace） ，所有的类都是在伊甸区被new出来的。幸存区有两个： 0区（Survivor 0 space）和1区（Survivor 1 space）。当伊甸园的空间用完时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收(Minor GC)，将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存 0区。若幸存 0区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到 1 区。那如果1 区也满了呢？再移动到养老区。若养老区也满了，那么这个时候将产生Major GC（FullGC），进行养老区的内存清理。若养老区执行了Full GC之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常“OutOfMemoryError”。

新生区执行普通GC（Minor GC），养老区执行Full GC（强度更大的GC）

如果出现java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space异常，说明Java虚拟机的堆内存不够。

原因有二：

（1）Java虚拟机的堆内存设置不够，可以通过参数-Xms、-Xmx来调整。

（2）代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）。

新生代由Eden、两块相同大小的Survivor（from/to或S0/S1）构成，三者内存比例为8:1:1

新生代中GC回收策略：

将伊甸区中的对象进行回收，回收不了的放到幸存0区；

下次GC来临时，再将伊甸区中的对象进行回收，回收不了的放到幸存0区，原来存在幸存0区的对象还是回收不了则放到幸存1区；

同理，下次GC回收时，伊甸区和幸存1区的对象若没有被回收，则会被放到幸存0区；

注意：当一个对象在幸存0区和幸存1区来回15次，则会被放到养老区；对于幸存0区和幸存1区，定义了from和to来识别谁是0区谁是1区，口诀：谁空谁是to。

Tenure Generation Space     养老区

养老区用于保存从新生区筛选出来的 JAVA 对象，一般池对象都在这个区域活跃。（线程池对象）

Permanent Space                  永久区

永久存储区是一个常驻内存区域，用于存放JDK自身所携带的 Class,Interface 的元数据，也就是说它存储的是运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭 JVM 才会释放此区域所占用的内存。          如果出现java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space，说明是Java虚拟机对永久代Perm内存设置不够。一般出现这种情况，都是程序启动需要加载大量的第三方jar包。

例如：在一个Tomcat下部署了太多的应用。或者大量动态反射生成的类不断被加载，最终导致Perm区被占满。

Jdk1.6及之前： 常量池分配在永久代,1.6在方法区

Jdk1.7：有，但已经逐步“去永久代”，1.7在堆

Jdk1.8及之后： 无，1.8在元空间

无论是永久区还是后来的元空间实际不在堆内存中，存在于方法区中，

体现上面结论：如下图：

以上，是JVM整体架构的整理，有了以上知识，就可以学习-JVM垃圾收集了。

下一篇将介绍JVM垃圾回收机制，JVM调优，MAT的使用，JVM垃圾回收的四种算法。