【JVM】JVM概述

JVM概述

基本介绍

JVM：全称 Java Virtual Machine，即 Java 虚拟机，一种规范，本身是一个虚拟计算机，直接和操作系统进行交互，与硬件不直接交互，而操作系统可以帮我们完成和硬件进行交互的工作
特点：

• Java 虚拟机基于二进制字节码执行，由一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆、一个方法区等组成
• JVM 屏蔽了与操作系统平台相关的信息，从而能够让 Java 程序只需要生成能够在 JVM 上运行的字节码文件，通过该机制实现的跨平台性

Java 代码执行流程：Java 程序 --（编译）–> 字节码文件 --（解释执行）–> 操作系统（Win，Linux）
JVM 结构：

JVM 是执行Java 程序的虚拟计算机系统，那我们来看看执行过程：首先需要准备好编译好的Java 字节码文件（即class文件），计算机要运行程序需要先通过一定方式（类加载器）将class 文件加载到内存中（运行时数据区），但是字节码文件是JVM定义的一套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解释器（执行引擎）将字节码翻译成特定的操作系统指令集交给CPU 去执行，这个过程中会需要调用到一些不同语言为Java 提供的接口（例如驱动、地图制作等），这就用到了本地Native 接口（本地库接口）。

• ClassLoader：负责加载字节码文件即class 文件，class 文件在文件开头有特定的文件标示，并且ClassLoader 只负责class 文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine 决定。
• Runtime Data Area：是存放数据的，分为五部分：Stack（虚拟机栈），Heap（堆），Method Area（方法区），PC Register（程序计数器），Native Method Stack（本地方法栈）。几乎所有的关于Java 内存方面的问题，都是集中在这块。
• Execution Engine：执行引擎，也叫Interpreter。Class 文件被加载后，会把指令和数据信息放入内存中，Execution Engine 则负责把这些命令解释给操作系统，即将JVM 指令集翻译为操作系统指令集。
• Native Interface：负责调用本地接口的。他的作用是调用不同语言的接口给JAVA 用，他会在Native Method Stack （本地方法栈）中记录对应的本地方法，然后调用该方法时就通过Execution Engine 加载对应的本地lib。原本多用于一些专业领域，如JAVA驱动，地图制作引擎等，现在关于这种本地方法接口的调用已经被类似于Socket通信，WebService等方式取代。

JVM、JRE、JDK 对比：

• JDK(Java SE Development Kit)：Java 标准开发包，提供了编译、运行 Java 程序所需的各种工具和资源
• JRE( Java Runtime Environment)：Java 运行环境，用于解释执行 Java 的字节码文件

---

架构模型

Java 编译器输入的指令流是一种基于栈的指令集架构。因为跨平台的设计，Java 的指令都是根据栈来设计的，不同平台 CPU 架构不同，所以不能设计为基于寄存器架构

• 基于栈式架构的特点：
  • 设计和实现简单，适用于资源受限的系统
  • 使用零地址指令方式分配，执行过程依赖操作栈，指令集更小，编译器容易实现
    • 零地址指令：机器指令的一种，是指令系统中的一种不设地址字段的指令，只有操作码而没有地址码。这种指令有两种情况：一是无需操作数，另一种是操作数为默认的（隐含的），默认为操作数在寄存器（ACC）中，指令可直接访问寄存器
    • 一地址指令：一个操作码对应一个地址码，通过地址码寻找操作数
  • 不需要硬件的支持，可移植性更好，更好实现跨平台
• 基于寄存器架构的特点：
  • 需要硬件的支持，可移植性差
  • 性能更好，执行更高效，寄存器比内存快
  • 以一地址指令、二地址指令、三地址指令为主

---

生命周期

JVM 的生命周期分为三个阶段，分别为：启动、运行、死亡

• 启动：当启动一个 Java 程序时，通过引导类加载器（bootstrap class loader）创建一个初始类（initial class），对于拥有 main 函数的类就是 JVM 实例运行的起点
• 运行：
  • main() 方法是一个程序的初始起点，任何线程均可由在此处启动
  • 在 JVM 内部有两种线程类型，分别为：用户线程和守护线程，JVM 使用的是守护线程，main() 和其他线程使用的是用户线程，守护线程会随着用户线程的结束而结束
  • 执行一个 Java 程序时，真真正正在执行的是一个 Java 虚拟机的进程
  • JVM 有两种运行模式 Server 与 Client，两种模式的区别在于：Client 模式启动速度较快，Server 模式启动较慢；但是启动进入稳定期长期运行之后 Server 模式的程序运行速度比 Client 要快很多Server 模式启动的 JVM 采用的是重量级的虚拟机，对程序采用了更多的优化；Client 模式启动的 JVM 采用的是轻量级的虚拟机
• 死亡：
  • 当程序中的用户线程都中止，JVM 才会退出
  • 程序正常执行结束、程序异常或错误而异常终止、操作系统错误导致终止
  • 线程调用 Runtime 类 halt 方法或 System 类 exit 方法，并且 Java 安全管理器允许这次 exit 或 halt 操作

内存结构

内存概述

内存结构是 JVM 中非常重要的一部分，是非常重要的系统资源，是硬盘和 CPU 的桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行，又叫运行时数据区
JVM 内存结构规定了 Java 在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了 JVM 的高效稳定运行

• Java1.8 以前的内存结构图：
• Java1.8 之后的内存结果图：

线程运行诊断：

• 定位：jps 定位进程 ID
• jstack 进程 ID：用于打印出给定的 Java 进程 ID 或 core file 或远程调试服务的 Java 堆栈信息

常见 OOM 错误：

• java.lang.StackOverflowError
• java.lang.OutOfMemoryError：java heap space
• java.lang.OutOfMemoryError：GC overhead limit exceeded
• java.lang.OutOfMemoryError：Direct buffer memory
• java.lang.OutOfMemoryError：unable to create new native thread
• java.lang.OutOfMemoryError：Metaspace
  

面试题

Java程序是怎么运行的？

首先需要准备好编译好的Java 字节码文件（即class文件），计算机要运行程序需要先通过一定方式（类加载器）将class 文件加载到内存中（运行时数据区），但是字节码文件是JVM定义的一套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统去 执行，因此需要特定的命令解释器（执行引擎）将字节码翻译成特定的操作系统指令集交给CPU 去执行，这个过程中会需要调用到一些不同语言为Java 提供的接口（例如驱动、地图制作等），这就用到了本地Native 接口（本地库接口）。如下图：

JVM包含哪几部分

JVM 主要由四大部分组成：ClassLoader（类加载器），Runtime Data Area（运行时数据区，内存分区），Execution Engine（执行引擎），Native Interface（本地库接口），下图可以大致描述JVM 的结构。