深入理解JVM2

Posted 2020-10-16 Mr.Aaron

1 JVM简介

VM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，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。Java虚拟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屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使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。JVM在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

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。这就是Java的能够“一次编译，到处运行”的原因。

2 JVM的组成部分

我们先把JVM这个虚拟机画出来，如下图所示：

 

从这个图中可以看到，JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。JVM有哪些组成部分，如下图所示：

整个JVM分为四部分：

• Class Loader 类加载器

类加载器的作用是加载类文件到内存，比如编写一个HelloWord.java程序，然后通过javac编译成class文件，那怎么才能加载到内存中被执行呢？Class Loader承担的就是这个责任，那不可能随便建立一个.class文件就能被加载的，Class Loader加载的class文件是有格式要求，在《JVM Specification》中式这样定义Class文件的结构：

在这张图中，每一行表示两个字节长度，按照从上到下、从左到右的顺序描述了class文件的结构。其中，浅颜色的部分是无符号数，深颜色的部分是表。下面以表格的形式详细描述一下具体的信息：

 

类型	名称	数量
U4	magic	1
U2	minor_version	1
U2	major_version	1
U2	constant_pool_count	1
cp_info	constant_pool	constant_pool_count-1
U2	access_flags	1
U2	this_class	1
U2	super_class	1
U2	interfaces_count	1
U2	interfaces	interfaces_count
U2	fields_count	1
field_info	fields	fields_count
U2	methods_count	1
method_info	methods	methods_count
U2	attributes_count	1
attribute_info	attributes	attributes_count

Class Loader只管加载，只要符合文件结构就加载，至于说能不能运行，则不是它负责的，那是由Execution Engine负责的。

• Execution Engine 执行引擎

执行引擎也叫做解释器(Interpreter)，负责解释命令，提交操作系统执行。

• Native Interface本地接口

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，必须有一个聪明的、睿智的调用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中登记native方法，在Execution Engine执行时加载native libraies。目前该方法使用的是越来越少了，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。

• Runtime data area运行数据区

运行数据区是整个JVM的重点。所有写的程序都被加载到这里，之后才开始运行。

整个JVM框架由加载器加载文件，然后执行器在内存中处理数据，需要与异构系统交互是可以通过本地接口进行，一个完整的系统诞生了！

2 JVM的内存管理

所有的数据和程序都是在运行数据区存放，它包括以下几部分：

• Stack 栈

栈也叫栈内存，是Java程序的运行区，是在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命期，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。问题出来了：栈中存的是那些数据呢？又什么是格式呢？

栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在，栈帧是一个内存区块，是一个数据集，是一个有关方法(Method)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栈帧F1，并被压入到栈中，A方法又调用了B方法，于是产生栈帧F2也被压入栈，执行完毕后，先弹出F2栈帧，再弹出F1栈帧，遵循“先进后出”原则。

那栈帧中到底存在着什么数据呢？栈帧中主要保存3类数据：本地变量（Local Variables），包括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、方法等等。光说比较枯燥，我们画个图来理解一下Java栈，如下图所示：

图示在一个栈中有两个栈帧，栈帧2是最先被调用的方法，先入栈，然后方法2又调用了方法1，栈帧1处于栈顶的位置，栈帧2处于栈底，执行完毕后，依次弹出栈帧1和栈帧2，线程结束，栈释放。

• Heap 堆内存

一个JVM实例只存在一个堆类存，堆内存的大小是可以调节的。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，以方便执行器执行，堆内存分为三部分：

Permanent Space 永久存储区

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。

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，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。

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。   三个区的示意图如下：

•  Method Area 方法区

方法区是被所有线程共享，该区域保存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。

• PC Register 程序计数器

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，由执行引擎读取下一条指令。

• Native Method Stack 本地方法栈

3 JVM相关问题

问：堆和栈有什么区别

答：堆是存放对象的，但是对象内的临时变量是存在栈内存中。

栈是跟随线程的，有线程就有栈，堆是跟随JVM的，有JVM就有堆内存。

问：堆内存中到底存在着什么东西？

答：对象，包括对象变量以及对象方法。

问：类变量和实例变量有什么区别？

答：静态变量是类变量，非静态变量是实例变量，有static修饰的变量是静态变量，没有static修饰的变量是实例变量。静态变量存在方法区中，实例变量存在堆内存中。

问：Java的方法（函数）到底是传值还是传址？

答：都不是，是以传值的方式传递地址，具体的说原生数据类型传递的值，引用类型传递的地址。对于原始数据类型，JVM的处理方法是从Method Area或Heap中拷贝到Stack，然后运行frame中的方法，运行完毕后再把变量指拷贝回去。

问：为什么会产生OutOfMemory产生？

答：Heap内存中没有足够的可用内存了。这句话要好好理解，不是说Heap没有内存了，是说新申请内存的对象大于Heap空闲内存，比如现在Heap还空闲1M，但是新申请的内存需要1.1M，于是就会报OutOfMemory了，可能以后的对象申请的内存都只要0.9M，于是就只出现一次OutOfMemory，GC也正常了，看起来像偶发事件，就是这么回事。 但如果此时GC没有回收就会产生挂起情况，系统不响应了。

问：产生的对象不多呀，为什么还会产生OutOfMemory？

答：继承层次忒多了，Heap中 产生的对象是先产生 父类，然后才产生子类。

问：OutOfMemory错误分几种？

答：分两种，分别是“OutOfMemoryError:java heap size”和”OutOfMemoryError: PermGen space”，两种都是内存溢出，heap size是说申请不到新的内存了，这个很常见，检查应用或调整堆内存大小。

“PermGen space”是因为永久存储区满了，这个也很常见，一般在热发布的环境中出现，是因为每次发布应用系统都不重启，久而久之永久存储区中的死对象太多导致新对象无法申请内存，一般重新启动一下即可。

问：为什么会产生StackOverflowError？

答：因为一个线程把Stack内存全部耗尽了，一般是递归函数造成的。

问：一个机器上可以看多个JVM吗？JVM之间可以互访吗？

答：可以多个JVM，只要机器承受得了。JVM之间是不可以互访，不能在A-JVM中访问B-JVM的Heap内存，这是不可能的。在以前老版本的JVM中，会出现A-JVM Crack后影响到B-JVM，现在版本非常少见。

问：JVM中到底哪些区域是共享的？哪些是私有的？

答：Heap和Method Area是共享的，其他都是私有的，

问：什么是JIT？

答：JIT是指Just In Time，有的文档把JIT作为JVM的一个部件来介绍，有的是作为执行引擎的一部分来介绍，这都能理解。Java刚诞生的时候是一个解释性语言，即使编译成了字节码（byte code）也是针对JVM的，它需要再次翻译成原生代码(native code)才能被机器执行，于是效率的担忧就提出来了。Sun为了解决该问题提出了一套新的机制，好，你想编译成原生代码，没问题，我在JVM上提供一个工具，把字节码编译成原生码，下次你来访问的时候直接访问原生码就成了，于是JIT就诞生了，就这么回事。

问：JVM还有哪些部分是没有提到的？

答：JVM是一个异常复杂的东西，写一本砖头书都不为过，还有几个要说明的：

常量池（constant pool）：按照顺序存放程序中的常量，并且进行索引编号的区域。比如int i =100，这个100就放在常量池中。

安全管理器（Security Manager）：提供Java运行期的安全控制，防止恶意攻击，比如指定读取文件，写入文件权限，网络访问，创建进程等等，Class Loader在Security Manager认证通过后才能加载class文件的。

方法索引表（Methods table），记录的是每个method的地址信息，Stack和Heap中的地址指针其实是指向Methods table地址。

问：为什么不建议在程序中显式的生命System.gc()？

答：因为显式声明是做堆内存全扫描，也就是Full GC，是需要停止所有的活动的（Stop  The World Collection）。