1 Java虛擬機
1.1 JVM(Java Virtual Machine，Java虛擬機)
JVM的中文名稱叫Java虛擬機，它是由軟件技術模擬出計算機運行的一個虛擬的計算機。JVM也充當着一個翻譯官的角色，我們編寫出的Java程序，是不能夠被操作系統所直接識別的，由JVM負責把程序翻譯給系統“聽”，告訴它我們的程序需要做什麼操作。
JVM在每個操作系統中有其對應的Java解釋器，解釋器會將Java程序經過編譯後產生的.Class文件解釋成特定的機器碼，被操作系統所識別，實現一次編譯到處運行。
1.2 JVM的內存結構
圖片來源於：Java JVM 運行機制及基本原理
（1）類加載系統（ClassLoader）：在JVM啓動時或者在類運行時將需要的class加載到JVM中。
（2）內存空間（也叫運行時數據區）：是在JVM運行的時候所分配的內存區，運行時內存區主要可以劃分爲5個區域；
（3）執行引擎：負責執行class文件中包含的指令；
（4）本地庫接口：主要是調用C或C++實現的本地方法及返回結果；
1.3 JVM的生命週期
JVM在Java程序開始執行的時候，它才運行，程序結束的時它就停止。一個Java程序會開啓一個JVM進程，如果一臺機器上運行三個程序，那麼就會有三個運行中的JVM進程。
JVM中的線程分爲兩種：守護線程和普通線程。*守護線程是：JVM自己使用的線程，比如垃圾回收（GC）。普通線程是：Java程序的線程*，只要JVM中有普通線程在執行，那麼JVM就不會停止。權限足夠的話，可以調用exit()方法終止程序。
2 JVM內存管理
JVM的內存管理就是：內存對象的分配和釋放問題，程序員需要爲每個對象申請內存空間 (基本類型除外)，對象的釋放是由GC決定和執行的。
這種收支兩條線的方法確實簡化了程序員的工作，但也加重了JVM的工作，這也是Java程序運行速度較慢的原因之一。因爲GC爲了能夠正確釋放對象，GC必須監控每一個對象的運行狀態，包括對象的申請、引用、被引用、賦值等，GC都需要進行監控。監視對象狀態是爲了更加準確地、及時地釋放對象，而釋放對象的根本原則就是該對象不再被引用。
2.1 JVM內存分配
2.1.1 內存分配類型
- 方法區（靜態存儲區）：內存在程序編譯時就分配好了，這塊內存在程序整個運行期間都一直存在。它主要存放靜態數據和一些常量。
- 棧區：方法體內的局部變量都在棧上創建，生命週期隨方法而結束。因爲棧內存分配運算內置於處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內存容量有限。
- 堆區：也叫動態內存，通常使用new來申請分配一個內存。包括：①全局成員變量全部存儲在堆中（包括基本數據類型，對象引用及引用的對象實體），因爲他們屬於類，類對象最終還是要被new出來的；②局部變量創建的對象存儲於堆中。GC會根據內存的使用情況，對堆內存裏的垃圾內存進行回收。
- 本地方法棧：專門爲native方法服務的，例如：C、C++方法。
- 程序計數器(PC Register)：保存當前線程執行的內存地址。由於JVM程序是多線程執行的，所以爲了保證線程切換回來後，還能恢復到原先狀態，就需要一個獨立的計數器，記錄中斷的地方，可見程序計數器也是線程私有的。
2.1.2 棧與堆的區別
public class Main{
int a = 1;//堆中
Student s = new Student();//堆中 堆中
public void XXX1(){
int b = 1;//棧中
Student s = new Student();//棧中 堆中
}
public void XXX2(){
String s1 = new String("myString");//棧中 堆中
String s2 = "myString";//棧中 方法區
}
}
2.1.3 結論
（1）局部變量的基本數據類型和引用，存儲於棧中，引用的對象實體存儲於堆中。因爲它們屬於方法中的變量，生命週期隨方法而結束。
（2）成員變量全部存儲與堆中（包括基本數據類型，引用和引用的對象實體），因爲它們屬於類，類對象終究是要被new出來使用的。
（3）我們所說的內存泄露，只針對堆內存，他們存放的就是引用指向的對象實體。
2.2 JVM內存釋放
釋放對象的根本原則就是：該對象不再被引用。JVM通過GC機制（內存垃圾回收機制）來釋放回收堆和方法區中的內存，這個過程是自動執行的。GC會從根節點（GC Roots）開始對堆內存進行遍歷，到最後，沒有直接或者間接引用到GC Roots的就是需要回收的垃圾，會被GC回收掉。。GC主要完成3件事：確定哪些內存需要回收；確定什麼時候需要執行GC；如何執行GC。
2.2.1 更好理解GC的工作原理
爲了更好理解GC的工作原理，我們可以將對象考慮爲有向圖的頂點，將引用關係考慮爲圖的有向邊，有向邊從引用者指向被引對象。另外每個線程對象可以作爲一個圖的起始頂點。
例如：大多程序從main進程開始執行，那麼該圖就是以main進程頂點開始的一棵根樹。在這個有向圖中，根頂點可達的對象都是有效對象，GC將不回收這些對象。如果某個對象 (連通子圖)與這個根頂點不可達，那麼我們認爲這個(這些)對象不再被引用，可以被GC回收。
圖例演示–3分鐘瞭解：Java垃圾收集器GC 如何確定哪些是“垃圾”？
2.2.2 GC Root對象有哪些
（1）虛擬機棧中的對象引用（引用是在棧幀中的本地變量表中的），真正的對象在堆中；
（2）方法區中的類靜態對象引用；
（3）方法區中的常量池對象引用；
（4）本地方法棧中的JNI的對象引用。
2.2.3 GC工作原理（Garbage Collection）
2.2.3.1 垃圾收集算法
（1）引用計數法：使用計數器進行內存管理。被引用1次，計數器加1，沒有被引用的時候，則回收。但是引用計數法無法解決對象之前相互引用的問題，因此已經廢棄。
（2）可達性算法（根搜索算法）：有向圖的方式進行內存管理。通過GC ROOT對象開始搜索，不可達的對象則回收。這時候可以提到引用的類型，主要用得最多就是強引用和弱引用。當存在強引用的時候，內存不足寧願拋出OOM也不會回收；但是是弱引用的話，就有可能會被回收，這樣就防止了內存泄漏。
2.2.3.2 垃圾回收算法
（1）標記-清除算法：搜索，發現沒有引用的對象，直接回收，但是會導致內存碎片過多。
（2）複製算法：搜索，掃描沒有引用的對象。開闢新的內存空間，將存活的對象複製到新的內存，舊的內存直接清除。由於需要多次交換內存空間，因此在對象數量比較少的時候效率比較高。
（3）標記-整理算法：在標記-清除算法的基礎上，清除掉不存活的對象之後，把後面的存活對象搬移過來，似的內存連續，解決了內存碎片的問題。
（4）三種算法是混合使用的，不同情況，例如對象數量不同，採用不用的算法，已達到最大的效率。
2.2.4 觸發垃圾回收方式
（1）GC_CONCURRENT：當我們應用程序的堆內存快要滿的時候，系統會自動觸發GC操作來釋放內存。
（2）GC_FOR_MALLOC：當我們的應用程序需要分配更多內存，可是現有內存已經不足的時候，系統會進行GC操作來釋放內存。
（3）GC_HPROF_DUMP_HEAP：當生成Hprof文件的時候，系統會進行GC操作。
（4）GC_EXPLICIT：主動通知系統去進行GC操作，比如調用System.gc()方法來通知系統。或者在Android Monitor中，通過工具按鈕告訴系統進行GC操作的。
3 類加載器（需要補充）
3.1 JVM的類加載器
Android的類加載器跟原生的類加載器不一樣，但是都大同小異：
3.2 類加載流程
3.3 類的加載過程
3.3.1 分析對象引用與對象
public class Demo{
public Demo{}
}
Demo demo = new Demo();//可以寫成
Demo demo;//創建對象引用
demo=/*將對象引用指向對象*/new Demo();//創建對象（1）右邊的“new Demo”，創建一個Demo對象，存儲在堆內存中。
（2）末尾的()意味着：在對象創建後，立即調用Demo類的構造函數，對對象進行初始化。
（3）左邊的“Demo demo”聲明瞭Demo類引用變量，存儲在棧內存中。
（4）“=”操作符使對象引用指向剛創建的Demo對象。
圖片來源於：java–對象引用與對象的區別
3.3.2 Person person = new Person()爲例進行說明類加載過程
1.首先虛擬機讀取指定的路徑下的Person.class文件，並加載至內存（如果該對象有直接父類則會先加載父類）—-方法區
2.按順序執行父類的static代碼塊和static變量，再執行子類的static代碼塊和static變量 —-方法區
3.創建Person對象，在堆內存開闢空間分配堆內存地址 —-堆中
4.將父類對象的屬性和代碼塊默認初始化（int類型爲0，String類型爲null）；對父類對應的構造函數進行初始化 —-棧中
5.將子類對象的屬性和代碼塊默認初始化（int類型爲0，String類型爲null）；對子類對應的構造函數進行初始化 —-棧中
6.進行子類構造函數的特定初始化例如聲明賦值變量（這種情況較少） —-棧中
7.聲明一個person對象引用—-棧中
8.初始化完畢，棧中的person對象引用指向堆內存中Person對象。
參考鏈接：Person p=new Person()的感悟
4 Dalvik VM（DVM）
4.1 DVM
Dalvik是Google公司自己設計用於Android平臺的Java虛擬機。dex格式是專爲Dalvik應用設計的一種壓縮格式，適合於內存和處理器速度有限的系統。Dalvik允許同時運行多個虛擬機的實例，並且每一個應用作爲獨立的Linux進程執行。獨立的進程可以防止在虛擬機崩潰的時候所有程序都被關閉。
（1）Dalvik指令集是基於寄存器的架構，dex字節碼更適合於內存和處理器速度有限的系統，允許同時運行多個虛擬機的實例。
（2）而JVM是基於棧的。執行的是class文件。
4.2 ART虛擬機是DVM的進化版本
2014年6月谷歌I/O大會，Android L 改動幅度較大，Google將直接刪除Dalvik，代替它的是傳聞已久的ART。
（1）在Dalvik下，應用每次運行都需要通過即時編譯器（JIT）將字節碼轉換爲機器碼，即每次都要編譯加運行，這雖然會使安裝過程比較快，但是會拖慢應用以後每次啓動的效率。
而在ART 環境中，應用在第一次安裝的時候，字節碼就會預編譯（AOT）成機器碼，雖然設備和應用的安裝會變慢，但是以後每次啓動執行的時候，都可以直接運行，因此運行效率會提高。
（2）ART佔用空間比Dalvik大（字節碼變爲機器碼之後，可能會增加10%-20%），這也是著名的“空間換時間大法”。
（3）預編譯也可以明顯改善電池續航，因爲應用程序每次運行時不用重複編譯了，從而減少了 CPU 的使用頻率，降低了能耗。