JVM入门到放弃之基本概念

Posted 2021-02-13 niceyoo

1. 基本概念

jvm 是可运行Java代码的假想计算机，包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。

jvm 是运行在操作系统之上的，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 jvm 上运行的字节码，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(跨平台)，其得益于 jvm，不是 Java 实现的跨平台，而是 jvm 的跨平台性，进而描述 Java 是跨平台的。

我们知道，每个平台的 api 肯定是不同的，就好比，android 实现动画绘制肯定跟 ios 实现动画绘制不同。jvm 通过 jit 即时编译器解释执行 Java 代码，最终得到相同的字节码，所以才有了经典的 "writ once，run anywhere"

通俗理解：jvm 运行在操作系统之上，其通过编译器解释执行 Java 代码得到相同的字节码，实现跨平台性，进而描述 Java 语言跨平台。

2. 运行过程

.java 源文件通过编译器(假装javac)，能够产生相应的 .class 文件(字节码文件)，
而字节码文件又通过 jvm 中的解释器，编译成计算机真正识别的机器码(二进制01)。

• java源文件 > 编译器 > 字节码文件
• 字节码文件 > 解释器 > 机器码

每一种平台的解释器是不同的，但是实现的虚拟机是相同的，这也就是为什么 Java 能够实现跨平台的原因，当一个程序从开始运行时，虚拟机就开始实例化了，多个程序启动，则存在多个虚拟机实例。程序退出或者关闭，则虚拟机实例消亡，多个虚拟机实例之间的数据不能共享。

通俗理解：java源文件通过编译器得到字节码文件，字节码再通过解释器获得计算机真正可识别的机器码。

3. 内存管理

对于 Java 程序员来说，在 jvm 自动内存管理机制帮助下，不需要在为每一个 new 操作去写配对的 delete/free 代码，正常情况下是不容易出现内存泄漏和内存溢出的问题。

jvm 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，如图所示。

针对上图对运行时数据区域组成部分做简单描述。

1.程序计数器

用于记录当前线程所执行到的字节码的行号。
怎么理解？举个简单的例子：

每一个线程都是顺序执行单元，就如同上图标记的行号一样，是向下顺序指定的，而程序计数器，就是用于标记行号的，遇到 if/else 则跳过不执行的行号，比如第 16 行是跳过的。

2.java虚拟机栈

虚拟机栈是为虚拟机执行 java 方法服务的，在了解虚拟机栈之前我们先了解一下 栈帧与局部变量表：

栈帧：每个方法执行都会创建一个栈帧，伴随着方法从创建到执行完成。用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等。下图为方法执行过程：

方法不停地调用，不停地进栈，如果栈内存满了，就会 Stack Overflow Error 或者 Out of Memory

局部变量表：

1. 存放编译器可知的各种基本数据类型、引用类型。
2. 局部变量表的内存空间在编译器完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要帧分配多少内存是固定的，在方法运行期间是不会改变局部表量表的大小，局部变量表存放的是对象的引用。

在网上我们经常看到有人把 java 内存分为 堆内存 和 栈内存，这种分法是比较广义的，内存的实际划分是比较复杂的。这种划分方式的流行只能说大多数人关注的是：与对象内存分配关系最亲密的两块内存区域（栈堆）。其中 栈内存 就是上方的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

3.本地方法栈

本地方法栈是为 native 方法服务的。

native方法：

• 简单地讲，一个 native 方法就是一个 Java 调用非 Java 代码的接口。
• 一个 native 方法是这样一个 Java 的方法：该方法的实现由非 Java 语言实现，比如 C。
  这个特征并非 Java 所特有，很多其它的编程语言都有这一机制，比如在 C＋＋ 中，你可以用extern "C"告知C＋＋编译器去调用一个 C 的函数。

4.java堆

Java 堆是 jvm 所管理的内存中最大的一块，所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。

因为分的蛋糕比较大，固然成为 gc(垃圾回收器)经常光顾的主要区域。

由于现在的收集器基本都采用分代收集算法，所以 Java 堆可以细分为：新生代、老年代、永久代(java8中移除了永久代)，这一块后面会单独写一篇关于垃圾回收器的文章，暂时有个印象即可。

5.方法区

方法区与 java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，用于存储已被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。

尽管 jvm 规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫非堆，目的区分堆。

4. 对象的创建

对象的创建过程：

1. 给对象分配内存
2. 线程安全性问题
3. 初始化对象
4. 执行构造方法

1.给对象分配内存[位于栈中]

对象的创建一般从 new 指令开始的，jvm 首先对符号引用进行解析，如果找不到对应的符号引用，那么这个类还没有被加载，因此jvm便会进行类加载过程(关于类加载后面单独文章讲解)，符号引用解析完毕之后，jvm 会为对象在堆中分配内存。

2.线程安全性问题

描述一种场景：正在给 A 对象分配内存，指针还没来得及修改，对象 B 又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。

两种解决方案：

1. 对内存分配内存空间的动作进行同步处理。
2. 把内存分配动作按照线程划分在不同的空间之中进行。

3.初始化对象

对象创建后通常有个默认值。
jvm 为对象分配完堆内存之后，jvm 会将该内存进行零值初始化，这也就解释了为什么 Java 的属性字段无需显示初始化就可以被使用，而方法的局部变量却必须要显示初始化后才可以访问。

4.执行构造方法

执行完上方三步，jvm 会调用对象的构造函数。

至此，一个对象就被创建完毕。

5. 最后总结

jvm 的学习是比较枯燥乏味的，基本都是一些概念性问题，上文对 jvm 的基本概念以及内存区域做了简单的介绍。
工欲善其事，必先利其器。尽管 jvm 的学习非常无聊，但是却非常重要，下面我用白话文根据自己的理解针对本文做一个总结。

上边有提到 "jvm 的跨平台性，实现了java语言的跨平台" ，何为跨平台？通俗理解就是： 一个操作系统下开发的应用，放到另一个操作系统下依然可以运行。举一个生动一点的例子，用 eclipse/idea 开发的 Java 程序，可以同时运行在 Linux、Windows 等操作系统上，即所谓的 "Write once, run anywhere(一次编写,到处运行)" 。

从广义的层次理解了 jvm 的跨平台性，接着是上文提到的 jvm 内存管理，jvm 有一套 自动内存管理机制，在该机制的帮助下，通常我们是不需要去关注对象的 内存分配以及释放的，然后这套内存管理机制，会把他所管理的内存划分为不同的运行时数据区域，而运行时数据区域由线程独立以及线程共享两部分组成。

说到线程，何为线程呢？说到线程又不得不提进程….(果然坑越描越大)
这里所说的线程是指程序执行过程中的一个线程实体，在讲程序计数器时有提到，每一个线程都是顺序执行单元，就好比一个简单的main方法，是按照从上到下的顺序执行的。线程之间又是有所区分的，比如虚拟机线程、gc线程、编译器线程等，jvm 允许一个应用并发执行多个线程，就是所谓的多线程。

关于线程、进程、多线程的关系。
我们将王小工作的车间理解为进程，而线程则理解为车间里的工人，一个车间里肯定有很多工人 ，他们协同完成一个任务，也就是多线程完成一个进程。
我们结合车间与工人，再来看看上边提到的 "线程独立" 与 "线程共享"。
线程共享：车间的空间是工人们共享的，比如许多房间是每个工人都可以进出的。这表示一个进程的内存空间是共享的，每个线程都可以使用这些共享内存。
线程独立：王小所在的车间，只有一个厕所，而厕所的空间最多只能容纳一个人，进入厕所后，是需要上锁的，这样别人才不能进来。里面有人的时候，其他人就不能进去，这代表一个线程使用某些共享内存时，其他线程必须等它结束，才能使用这一块内存。

了解了运行时数据区域划分的线程概念，接着就是内存的各个组成区域，主要了解到 java堆，堆是用来存放对象实例以及数组的。每当你 new 一个对象，都是要在堆上拉取一块内存区域的，通常一个程序要 new(实例化)很多对象，无形中带来了内存负担，所以就引出了 gc 垃圾回收的概念，我们可以将堆中的对象理解为 gc 的猎物，很显然，对于富的流油的堆来说，自然成了 gc 主要的光顾对象。在这个地方我们提到了 新生代、老年代、永久代的概念，下一篇单独讲解。

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