Java基础--------Java虚拟机JVM

（参考http://blog.csdn.net/cutesource/article/details/5904501 点击打开链接，以此为模板 自己做了整理、修改）

目录

一.  概念

二.  JVM基本结构

三.  Java代码编译和执行的过程

3.1 Java源码编译机制

3.2 类加载机制

3.3 类执行机制

四.  JVM内存管理及垃圾回收

4.1 JVM内存管理

4.1.1 JVM内存组成结构

4.1.2 JVM内存分配

4.2 垃圾回收机制

4.2.1 新生代的GC：

4.2.2 旧生代的GC：

五. 内存调优（待续）

---

一.  概念

Java虚拟机（Java Virtual Machine 简称JVM）是一种能够运行所有Java程序（编译之后的程序，称作字节码）的抽象计算机，是Java语言的运行环境，它是Java 最具吸引力的特性之一。

首先，JVM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，是一种可以运行Java代码的假想计算机。Java虚拟机它有着自己完善的硬体架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。

其次，它屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使得Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行，至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。一旦一个Java虚拟机在给定的平台上运行，任何Java程序（编译之后的程序，称作字节码）都能在这个平台上运行。JVM可以以一次一条指令的方式来解释字节码。即翻译一句，执行一句，不产生整个的机器代码程序。属于“解释”机制。

二.  JVM基本结构

从Java平台的逻辑结构上来看，我们可以从下图来了解JVM：

从上图能清晰看到Java平台包含的各个逻辑模块，也能了解到JDK与JRE的区别

对于JVM自身的物理结构，我们可以从下图鸟瞰一下：

对于JVM的学习，在我看来这么几个部分最重要：
        Java代码编译和执行的整个过程
        JVM内存管理及垃圾回收机制
下面将这两个部分进行详细学习

三.  Java代码编译和执行的过程

Java源文件的编译是由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：

    Java源码编译机制

    类加载机制

    类执行机制

3.1 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

流程图如下所示：

最后生成的class文件由以下部分组成：
    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、求值栈与局部变量区大小、求值栈的类型记录、调试符号信息

3.2 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

负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++实现，不是ClassLoader子类
2）Extension ClassLoader
负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包
3）App ClassLoader
负责记载classpath中指定的jar包及目录中class
4）Custom 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，保证此类中所有ClassLoader加载一次。而加载的顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试加载此类。

3.3 类执行机制

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

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。栈的结构如下图所示：

四.  JVM内存管理及垃圾回收

4.1 JVM内存管理

4.1.1 JVM内存组成结构

JVM栈，由栈、本地方法栈、堆、方法区等部分组成。其中，栈是运行时的单位，而堆是存储的单元。栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据，堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放，放在哪儿。 在Java中一个线程就会相应有一个线程栈与之对应，这点很容易理解，因为不同的线程执行逻辑有所不同，因此需要一个独立的线程栈。而堆则是所有线程共享的。栈因为是运行单位，因此里面存储的信息都是跟当前线程（或程序）相关的信息。包括局部变量、程序运行状态、方法返回值等等，而堆只负责存储对象信息。面向对象就是堆和栈的完美结合。其实，面向对象方式的程序与以前结构化的程序在执行上没有任何区别。但是，面向对象的引入，使得对待问题的思考方式发生了改变，而更接近于自然方式的思考。当我们把对象拆开，你会发现，对象的属性其实就是数据，存放在堆中；而对象的方法（行为），就是运行逻辑，放在栈中。我们在编写对象的时候，其实就是编写了数据结构，也编写了处理数据的逻辑。在Java中，Main()方法就是栈的起始点，也是程序的起始点。栈中存的是基本数据类型和堆中对象的引用。

Java中的参数传递是传值呢？还是传引用？程序运行永远都是在栈中进行的，因而参数传递时，只存在传递基本类型和对象引用的问题。不会直接传递对象本身。Java在方法调用传递参数时，因为没有指针，所以它都是进行传值调用（这点可以参考C的传值调用）。在运行栈中，基本类型和引用的处理是一样的，都是传值，所以，如果是传引用的方法调用，也同时可以理解为“传引用的具体值”的传值调用，即引用的处理跟基本类型是完全一样的。但是当进入被调用方法时，被传递的这个引用的具体值，被程序解释（或者查找）到堆中的对象，这个时候才对应到真正的对象。如果此时进行修改，修改的是引用对应的对象，而不是对象本身，即：修改的是堆中的数据。所以这个修改是可以保持的。

JVM内存结构图如下所示：

1）栈
每个线程执行每个方法调用的时候都会在栈中申请一个栈帧，每个栈帧包括局部变量区和操作数栈，用于存放此次方法调用过程中的临时变量、参数和中间结果
2）本地方法栈
用于支持native() 方法的执行，存储了每个native() 方法调用的状态
3）堆

所有通过new创建的对象的内存都在堆中分配，其大小可以通过-Xmx和-Xms来控制。堆被划分为新生代、旧生代、持久代，新生代又被进一步划分为Eden和Survivor区，最后Survivor由From Space和To Space组成。新生代和旧生代的划分是对垃圾收集影响比较大的。持久代主要存放的是Java类的类信息，与垃圾收集要收集的Java对象关系不大。

结构图如下所示：

新生代。新建的对象都是用新生代分配内存，Eden空间不足的时候，会把存活的对象转移到Survivor中，新生代大小可以由-Xmn来控制，也可以用-XX:SurvivorRatio来控制Eden和Survivor的比例

旧生代。用于存放新生代中经过多次垃圾回收仍然存活的对象

持久带（Permanent Space）实现方法区，主要存放所有已加载的类信息，方法信息，常量池等等。可通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来指定持久带初始化值和最大值。Permanent Space并不等同于方法区，只不过是Hotspot JVM用Permanent Space来实现方法区而已，有些虚拟机没有Permanent Space而用其他机制来实现方法区。

-Xmx:最大堆内存,如：-Xmx512m
-Xms:初始时堆内存,如：-Xms256m
-XX:MaxNewSize:最大新生区内存
-XX:NewSize:初始时新生区内存.通常为 Xmx 的 1/3 或 1/4。新生代 = Eden + 2 个 Survivor 空间。实际可用空间为 = Eden + 1 个 Survivor，即 90%
-XX:MaxPermSize:最大持久带内存
-XX:PermSize:初始时持久带内存
-XX:+PrintGCDetails。打印 GC 信息
-XX:NewRatio 新生代与旧生代的比例，如 –XX:NewRatio=2，则新生代占整个堆空间的1/3，老年代占2/3
-XX:SurvivorRatio 新生代中 Eden 与 Survivor 的比值。默认值为 8。即 Eden 占新生代空间的 8/10，另外两个 Survivor 各占 1/10

4）方法区

存放了要加载的类信息、静态变量、final类型的常量、属性和方法信息。JVM用持久代（Permanet Generation）来存放方法区，可通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来指定最小值和最大值

4.1.2 JVM内存分配

我觉得了解垃圾回收之前，得先了解JVM是怎么分配内存的，然后识别哪些内存是垃圾需要回收，最后才是用什么方式回收。
Java的内存分配原理与C/C++不同，C/C++每次申请内存时都要malloc进行系统调用，而系统调用发生在内核空间，每次都要中断进行切换，这需要一定的开销，而Java虚拟机是先一次性分配一块较大的空间，然后每次new时都在该空间上进行分配和释放，减少了系统调用的次数，节省了一定的开销，这有点类似于内存池的概念；二是有了这块空间过后，如何进行分配和回收就跟GC机制有关了。
Java一般内存申请有两种：静态内存和动态内存。很容易理解，编译时就能够确定的内存就是静态内存分配，即内存是固定的，系统一次性分配，比如int类型变量；动态内存分配就是在程序执行时才知道要分配的存储空间大小，比如Java对象的内存空间。根据上面我们知道，Java栈、程序计数器、本地方法栈都是线程私有的，线程生就生，线程灭就灭，栈中的栈帧随着方法的结束也会撤销，内存自然就跟着回收了。所以这几个区域的内存分配与回收是确定的，我们不需要管的。但是Java堆和方法区则不一样，我们只有在程序运行期间才知道会创建哪些对象，所以这部分内存的分配和回收都是动态的。一般我们所说的垃圾回收也是针对的这一部分。
总之，Stack栈的内存管理是顺序分配的，而且定长，不存在内存回收问题；而Heap堆则是为Java对象的实例随机分配内存，不定长度，所以存在内存分配和回收的问题。

4.2 垃圾回收机制

垃圾回收，Garbage Collection，简称 GC。

如何区分垃圾？一般实现的垃圾判断算法中，都是从程序运行的根节点出发，遍历整个对象引用，查找存活的对象，那么在这种方式的实现中，垃圾回收从哪儿开始的呢？即，从哪儿开始查找哪些对象是正在被当前系统使用的，上面分析的堆和栈的区别，其中栈是真正进行程序执行的地方，所以要获取哪些对象正在被使用，则需要从Java栈开始。同时，一个栈是与一个线程对应的，因此，如果有多个线程的话，则必须对这些线程对应的所有的栈进行检查。同时，除了栈外，还有系统运行时的寄存器等，也是存储程序运行数据的。这样，以栈或寄存器中的引用为起点，我们可以找到堆中的对象，又从这些对象找到对堆中其它对象的引用，这种引用逐步扩展，最终以null引用或者基本类型结束，这样就形成了一棵以Java栈中引用所对应的对象为根节点的一棵对象树，如果栈中有多个引用，则最终会形成多棵对象树。在这些对象树上的对象，都是当前系统运行所需要的对象，不能被垃圾回收，而其他剩余对象，则可以视为无法被引用到的对象，可以被当做垃圾进行回收。因此，垃圾回收的起点是一些根对象（Java栈、静态变量、寄存器...）。而最简单的Java栈就是Java程序执行的main()方法。这种回收方式，称为“标记-清除”的回收方式。

JVM分别对新生代和旧生代采用不同的垃圾回收机制。为什么要分代？分代的垃圾回收策略，是基于这样一个事实：不同的对象的生命周期是不一样的。因此，不同生命周期的对象可以采取不同的收集方式，以便提高回收效率。在Java程序运行的过程中，会产生大量的对象，其中有一些对象是程序运行过程中生成的临时变量，这些对象生命周期比较短，比如：String对象，由于其不变类的特性，系统会产生大量的这些对象，有些对象甚至只用一次即可回收。但是还有一些对象是与业务信息相关，比如Http请求中的Session对象、线程、Socket连接，这类对象跟业务直接挂钩，因此生命周期比较长。试想，在不进行对象存活时间区分的情况下，每次垃圾回收都是对整个堆空间进行回收，花费时间相对会长，同时，因为每次回收都需要遍历所有存活对象，但实际上，对于生命周期长的对象而言，这种遍历是没有效果的，因为可能进行了很多次遍历，但是它们依旧存在。因此，分代垃圾回收采用"分而治之"的思想，进行代的划分，把不同生命周期的对象放在不同代上，不同代上采用最适合它的垃圾回收方式进行回收。

什么情况下触发垃圾回收？由于对象进行了分代处理，因此垃圾回收区域、时间也不一样。GC有两种类型：Scavenge GC 和 Full GCScavenge GC。一般情况下，当新对象生成，并且在Eden申请空间失败时，就会触发Scavenge GC，对Eden区域进行GC，清除非存活对象，并且把尚且存活的对象移动到Survivor区。然后整理Survivor的两个区。这种方式的Scavenge GC是对新生代的Eden区进行，不会影响到旧生代。因为大部分对象都是从Eden区开始的，同时Eden区不会分配的很大，所以Eden区的GC会频繁进行。因而，一般在这里需要使用速度快、效率高的算法，使Eden区能尽快空闲出来。Full GC对整个堆进行整理，包括Young、Tenured 和 Perm。Full GC 因为需要对整个堆进行回收，所以比 Scavenge GC 要慢，因此应该尽可能减少 Full GC 的次数。在对JVM调优的过程中，很大一部分工作就是对于 Full GC 的调节。有如下原因可能导致Full GC:旧生代（Tenured）被写满、持久代（Perm）被写满、System.gc()被显式调用、上一次GC之后Heap的各域分配策略动态变化。

4.2.1 新生代的GC：

新生代通常存活时间较短，因此基于Copying算法来进行回收，所谓Copying算法就是扫描出存活的对象，并复制到一块新的完全未使用的空间中，对应于新生代，就是在Eden和From Space或To Space之间copy。新生代采用空闲指针的方式来控制GC触发，指针保持最后一个分配的对象在新生代区间的位置，当有新的对象要分配内存时，用于检查空间是否足够，不够就触发GC。当连续分配对象时，对象会逐渐从eden到survivor，最后到旧生代，用java visualVM来查看，能明显观察到新生代满了后，会把对象转移到旧生代，然后清空继续装载，当旧生代也满了后，就会报outofmemory的异常，如下图所示：

在执行机制上JVM提供了串行GC（Serial GC）、并行回收GC（Parallel Scavenge）和并行GC（ParNew）

1）串行GC
在整个扫描和复制过程采用单线程的方式来进行，适用于单CPU、新生代空间较小及对暂停时间要求不是非常高的应用上，是client级别默认的GC方式，可以通过-XX:+UseSerialGC来强制指定
2）并行回收GC
在整个扫描和复制过程采用多线程的方式来进行，适用于多CPU、对暂停时间要求较短的应用上，是server级别默认采用的并行回收GC方式，可用-XX:+UseParallelGC来强制指定，用-XX:ParallelGCThreads=4来指定线程数
3）并行GC
与旧生代的并发GC配合使用

4.2.2 旧生代的GC：

旧生代与新生代不同，对象存活的时间比较长，比较稳定，因此采用标记（Mark）算法来进行回收，所谓Mark标记就是扫描出存活的对象，然后再进行回收未被标记的对象，回收后对用空出的空间要么进行合并，要么标记出来便于下次进行分配，总之就是要减少内存碎片带来的效率损耗。

在执行机制上JVM提供了串行GC（Serial MSC）、并行GC（parallel MSC）和并发GC（CMS），具体算法细节还有待进一步深入研究。

以上各种GC机制是需要组合使用的，指定方式由下表所示：

指定方式	新生代GC方式	旧生代GC方式
-XX:+UseSerialGC	串行GC	串行GC
-XX:+UseParallelGC	并行回收GC	并行GC
-XX:+UseConeMarkSweepGC	并行GC	并发GC
-XX:+UseParNewGC	并行GC	串行GC
-XX:+UseParallelOldGC	并行回收GC	并行GC
-XX:+ UseConeMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC	串行GC	并发GC
不支持的组合	1、-XX:+UseParNewGC -XX:+UseParallelOldGC 2、-XX:+UseParNewGC -XX:+UseSerialGC

五. 内存调优（待续）

首先需要注意的是在对JVM内存调优的时候不能只看操作系统级别Java进程所占用的内存，这个数值不能准确的反应堆内存的真实占用情况，因为GC过后这个值是不会变化的，因此内存调优的时候要更多地使用JDK提供的内存查看工具，比如JConsole和Java VisualVM。
对JVM内存的系统级的调优主要的目的是减少GC的频率和Full GC的次数，过多的GC和Full GC是会占用很多的系统资源（主要是CPU），影响系统的吞吐量。特别要关注Full GC，因为它会对整个堆进行整理 

垃圾回收不要手动触发，尽量依靠JVM自身的机制 

调优手段主要是通过控制堆内存的各个部分的比例和GC策略来实现 

由上文“内存管理和垃圾回收”可知新生代和旧生代都有多种GC策略和组合搭配，选择这些策略对于我们这些开发人员是个难题，JVM提供两种较为简单的GC策略的设置方式

1）吞吐量优先

JVM以吞吐量为指标，自行选择相应的GC策略及控制新生代与旧生代的大小比例，来达到吞吐量指标。这个值可由-XX:GCTimeRatio=n来设置

2）暂停时间优先

JVM以暂停时间为指标，自行选择相应的GC策略及控制新生代与旧生代的大小比例，尽量保证每次GC造成的应用停止时间都在指定的数值范围内完成。这个值可由-XX:MaxGCPauseRatio=n来设置

------------------------------------------------------------------ 我是低调的分隔线  ----------------------------------------------------------------------

                                                                                                                                     吾欲之南海，一瓶一钵足矣...