JVM
详细介绍JVM
- 1.JVM生命周期
- 2.JVM体系结构
- 3.JVM运行时数据区
- 3.1 Java堆(Heap)
- 3.2 方法区
- 3.3 Java虚拟机栈(VM Stack)
- 3.4 本地方法栈（Native Method Stack）
- 3.5 程序计数器（Program Counter Register）
- 3.6 直接内存（Direct Memory）
- 4. Java代码的编译和执行过程
- 4.1 Java源码编译机制
- 4.2 类加载机制（ClassLoader）
1.JVM生命周期
- 启动 启动一个Java程序时, 一个JVM实例就产生了, 任何一个拥有
pulic static void main(String[] args)函数的class都可以作为JVM实例运行的起点. - 运行
main()作为该程序初始线程的起点, 任何其他线程均由该线程启动. - 消亡 当程序中的所有非守护线程都终止时, JVM才退出; 若安全管理其允许, 程序也可以使用
Runtime类或者System.exit()来退出.
一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务: 执行Java程序. 程序开始执行时他才运行, 程序结束时他就停止. 你在同一台机器上运行三个程序, 就会由三个运行中的Java虚拟机. Java虚拟机总是开始于一个main()方法, 这个方法必须是共有, 返回void, 接受一个字符串组. 在程序执行时, 你必须给Java虚拟机指明这个包含main()方法的类名. main()方法是程序的起点, 他被执行的线程初始化为程序的初始线程. 程序中其他的线程都有它来启动.
Java中的线程分为两种: 守护线程(daemon)和普通线程(non-daemon). 守护线程时Java虚拟机自己使用的线程, 比如负责垃圾收集的线程就是一个守护线程. 当然, 你也可以把自己的程序设置为守护线程. 包含main()方法的初始线程不是守护线程.
只要Java虚拟机中有普通的线程在执行, Java虚拟机就不会停止. 如果有足够的权限, 你可以调用exit()方法终止程序.
2.JVM体系结构
- 类装载器(ClassLoader) (用来装载.class文件)
- 执行引擎(执行字节码, 或者执行本地方法)
- 运行时数据区(方法区, 堆, Java栈, PC寄存器, 本地方法栈)
3.JVM运行时数据区
3.1 Java堆(Heap)
- 被所有线程共享的一块内存区域, 在虚拟机启动时创建
- 用来存储对象实例
- 可以通过-Xmx和-Xms控制堆的大小
- OutOfMemoryError异常: 当在堆中没有内存完成实例分享, 且堆也无法扩展时.
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域. Java堆还可以细分为: 新生代(New/Young), 旧生代/老年代(Old/tenured). 持久代(Permanent)在方法区, 不属于Heap.
新生代: 新建的对象都有新生代分配内存. 常常有被划分为Eden区和Survivor区. Eden空间不足时会把存活的对象转移到Survivor. 新生代的大小可由-Xmn控制, 也可以用-XX:S涮vivoRatio控制Eden和Survivor的比例.
**旧生代:**存放经过多次垃圾回收仍然存活的对象.
**持久代:**存放静态文件, 如Java类, 方法等. 持久代在方法区, 对垃圾回收没有显著影响.
3.2 方法区
- 线程共享
- 用于存储以备虚拟机加载的类信息, 常量, 静态变量, 即时编译器编译后的代码等数据
- OutOfMemoryError异常: 当方法去无法满足内存的分配需求时.
运行时常量池
- 方法区的一部分
- 用于存放编译器生成的各种字面量与符号引用, 如String类型常量就存放在常量池
- OutOfmemoryError异常: 当常量池无法再申请到内存时。
3.3 Java虚拟机栈(VM Stack)
- 线程私有, 生命周期与线程相同
- 存储方法的局部变量表(基本类型、对象引用)、操作数找、动态链接，方法出口等信息。
- Java方法执行的内存模型，每个方法执行的同时都会创建一个栈帧，每个方法被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从入栈到出栈的过程。
- StackOverflowError异常：当线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度
- OutOfMemoryError异常：如果栈的扩展时无法申请到足够的内存
JVM栈时线程私有的，每个线程创建的同时都会创建JVM栈，JVM栈中存放的为当前线程中局部基本类型的变量、部分的返回结果以及Stack Frame。其他引用类型的对象在JVM栈上仅存放变量名和指向堆上对象实例的首地址
3.4 本地方法栈（Native Method Stack）
- 与虚拟机栈相似，主要为虚拟机使用到的Native方法服务，在HotSpot虚拟机中直接把本地方法与虚拟机找二合一
3.5 程序计数器（Program Counter Register）
- 当前线程所执行的字节码的行号指示器
- 当前线程私有
- 不会出现OutOfMemoryError情况
3.6 直接内存（Direct Memory）
- 直接内存并不是虚拟机运行的一部分，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使用。
- NIO可以使用Native函数库直接分配堆外内存，堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作‘
- 大小不受Java堆大小的限制，受本机（服务器）内存限制
- OutOfMemoryError异常：系统内存不足时
总结： Java对象实例存放在堆中，常量存放在方法区的常量池；虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据放在方法区；以上区域是所有线程共享的。栈时线程私有的，存放该方法的局部变量表（基本类型、对象引用）、操作数找。动态链接。方法出口等信息。
一个Java程序对应一个JVM，一个方法（线程）对应一个Java栈。
4. Java代码的编译和执行过程
Java代码的编译和执行包含了三个重要机制：
- Java源码编译机制（.Java源代码文件 -> .class字节码文件）
- 类加载机制(ClassLoader)
- 类执行机制(JVM执行引擎)
4.1 Java源码编译机制
Java源代码是不能被机器识别的，需要先经过编译器编译成JVM可以执行的.class字节码文件，再由解释器解释运行。即：Java源文件（.java） --> Java编译器 --> Java字节码文件(.class) --> 执行。流程图如下：
字节码文件（.class）是平台无关的。
Java中字符只以一种形式存在：Unicode。字符转换发生JVM个OS交界处（Reader/Writer）。
最后生成的class文件有以下部分组成：
- 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
- 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
- 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、求值栈与局部标量区大小、求值栈的类型记录、调试符号信息
4.2 类加载机制（ClassLoader）
Java程序并不是一个可执行文件，是由多个独立的类文件组成。这些类文件并非一次性全部装入内存，而是依据程序逐步载入。
JVM的类加载时通过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：
- Bootstrap ClassLoader
- JVM的根ClassLoader，由C++实现
- 加载Java的核心API：$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar中所有class文件的加载，这个jar中包含了Java的规范定义的所有接口以及实现。
- JVM启动时即初始化此ClassLoader
- Extension ClassLoader
- 加载Java扩展API（lib/ext中的类）
- App ClassLoader
- 加载Classpath目录下定义的class
- Custom ClassLoader
- 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，保证此类所有ClassLoader只加载一次。而加载的顺序是自顶向下，也就是有上层来逐层尝试加载此类。