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一、JVM结构
1、jvm的基本结构
（1）类加载子系统负责从文件系统或者网络中加载Class信息，加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区中可能还会存放运行时常量池信息，包括字符串字面量和数字常量（这部分常量信息是Class文件中常量池部分的内存映射）。
（2）java堆在虚拟机启动的时候建立，它是java程序最主要的内存工作区域。几乎所有的java对象实例都存放在java堆中。堆空间是所有线程共享的，这是一块与java应用密切相关的内存空间。
（3）java的NIO库允许java程序使用直接内存。直接内存是在java堆外的、直接向系统申请的内存空间。通常访问直接内存的速度会优于java堆。因此出于性能的考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。由于直接内存在java堆外，因此它的大小不会直接受限于Xmx指定的最大堆大小，但是系统内存是有限的，java堆和直接内存的总和依然受限于操作系统能给出的最大内存。
（4）垃圾回收系统是java虚拟机的重要组成部分，垃圾回收器可以对方法区、java堆和直接内存进行回收。其中，java堆是垃圾收集器的工作重点。和C/C++不同，java中所有的对象空间释放都是隐式的，也就是说，java中没有类似free()或者delete()这样的函数释放指定的内存区域。对于不再使用的垃圾对象，垃圾回收系统会在后台默默工作，默默查找、标识并释放垃圾对象，完成包括java堆、方法区和直接内存中的全自动化管理。
（5）每一个java虚拟机线程都有一个私有的java栈，一个线程的java栈在线程创建的时候被创建，java栈中保存着帧信息，java栈中保存着局部变量、方法参数，同时和java方法的调用、返回密切相关。
（6）本地方法栈和java栈非常类似，最大的不同在于java栈用于方法的调用，而本地方法栈则用于本地方法的调用，作为对java虚拟机的重要扩展，java虚拟机允许java直接调用本地方法（通常使用C编写）
（7）PC（Program Counter）寄存器也是每一个线程私有的空间，java虚拟机会为每一个java线程创建PC寄存器。在任意时刻，一个java线程总是在执行一个方法，这个正在被执行的方法称为当前方法。如果当前方法不是本地方法，PC寄存器就会指向当前正在被执行的指令。如果当前方法是本地方法，那么PC寄存器的值就是undefined
（8）执行引擎是java虚拟机的最核心组件之一，它负责执行虚拟机的字节码，现代虚拟机为了提高执行效率，会使用即时编译技术将方法编译成机器码后再执行。
2、类加载系统
在JAVA虚拟机中，负责查找并装载类型的那部分被称为类装载子系统。
JAVA虚拟机有两种类装载器：启动类装载器和用户自定义类装载器。前者是JAVA虚拟机实现的一部分，后者则是Java程序的一部分。由不同的类装载器装载的类将被放在虚拟机内部的不同命名空间中。
类装载器子系统涉及Java虚拟机的其他几个组成部分，以及几个来自java.lang库的类。比如，用户自定义的类装载器是普通的Java对象，它的类必须派生自java.lang.ClassLoader类。ClassLoader中定义的方法为程序提供了访问类装载器机制的接口。此外，对于每一个被装载的类型，JAVA虚拟机都会为它创建一个java.lang.Class类的实例来代表该类型。和所有其他对象一样，用户自定义的类装载器以及Class类的实例都放在内存中的堆区，而装载的类型信息则都位于方法区。
类装载器子系统除了要定位和导入二进制class文件外，还必须负责验证被导入类的正确性，为类变量分配并初始化内存，以及帮助解析符号引用。这些动作必须严格按以下顺序进行：
（1）加载(Loading)
通过一个类的全限定名获取此类的二进制字节流，将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构，在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象作为方法区这个类的各种数据访问入口
（2）链接(Linking)
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验证(Verify)：确保class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机的要求，保证被加载的类的正确性。主要包含四种验证：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证
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准备(Prepare)：为类变量分配内存并且设置该类变量的默认初始值。不包含用final修饰的类变量，因为final在编译的时候就分配了，在准备阶段会显式初始化。不会为实例变量分配初始化，实例变量会随着对象一起分配到堆中，类变量会分配在方法区中
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解析(Resolve)：将常量池中的符号引用转化为直接引用的过程。事实上，解析动作往往会在JVM执行完初始化之后再执行。符号引用就是用一组符号来描述所引用的目标，符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的class文件格式中。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或者一个间接定位到目标的句柄。解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等
（3）初始化(Initialzation)
初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit>()的过程，该方法是编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来。构造器方法中的指令按语句在源文件中出现的顺序执行。<clinit>()不同于<init>()。如果该类存在父类，JVM会保证子类的<clinit>()执行前父类的<clinit>()已经执行完成
每个类装载器都有自己的命名空间，其中维护着由它装载的类型。所以一个Java程序可以多次装载具有同一个全限定名的多个类型。这样一个类型的全限定名就不足以确定在一个Java虚拟机中的唯一性。因此，当多个类装载器都装载了同名的类型时，为了惟一地标识该类型，还要在类型名称前加上装载该类型（指出它所位于的命名空间）的类装载器标识。
3、 java堆
JVM的内存分代策略
Java虚拟及根据对象存货的周期不同，将堆内存划分为几块，一般分为新生代、老年代和永久代（对HotSpot虚拟机而言），这就是jvm的内存分代策略。
Java堆是和应用程序关系最为密切的内存空间，几乎所有的对象都存放在堆上。并且java堆是完全自动化管理的，通过垃圾回收机制，垃圾对象会被自动清理，而不需要显示的释放。给堆内存分代是为了提高对象内存分配和垃圾回收的效率。有了内存分代，新创建的对象会在新生代中分配内存，经过多次回收任然活下来的对象存放在老年代中，静态属性、类信息等存放在永久代中，新生代中对象的存活时间端，只需要在新生代区域中频繁惊醒GC，老年代中对象生命周期长，内存回收的频率相对较低，不需要频繁回收，永久代中回收效果差，一般不进行垃圾回收。还可以根据不同年代的特点采用合适的垃圾收集算法。这些都是内存分代的好处。
根据java回收机制的不同，java堆有可能拥有不同的结构。最为常见的一种构成是将整个java堆分为新生代和老年代。其中新生代存放新生对象或者年龄不大的对象，老年代则存放老年对象。新生代有可能分为eden区、s0区、s1区，s0区和s1区也被称为from和to区，他们是两块大小相同、可以互换角色的内存空间。
如下图：显示了一个堆空间的一般结构：
在绝大多数情况下，对象首先分配在eden区，在一次新生代回收之后，如果对象还存活，则进入s0或者s1，每经过一次新生代回收，对象如果存活，它的年龄就会加1。当对象的年龄达到一定条件后，就会被认为是老年对象，从而进入老年代。其具体的垃圾回收算法在后面会介绍。
4、直接内存
直接内存不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用 进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。
JAVA的NIO允许java程序使用直接内存，直接内存是在JAVA堆外的，直接向系统申请的内存空间。通常访问直接内存的速度要优于JAVA堆，直接内存适用于频繁读写的场景，直接内存在JAVA堆外，因此它的大小不会直接受限于Xmx指定的最大堆大小的限制，但是JAVA堆和直接内存依然受限于系统的最大内存。
5、垃圾回收系统
垃圾回收机制是由垃圾收集器Garbage Collection GC来实现的，GC是后台的守护进程。它的特别之处是它是一个低优先级进程，但是可以根据内存的使用情况动态的调整他的优先级。因此，它是在内存中低到一定限度时才会自动运行，从而实现对内存的回收。这就是垃圾回收的时间不确定的原因。
6、java栈
java栈是一块线程私有的内存空间。如果说，java堆和程序数据密切相关，那么java栈就是和线程执行密切相关。线程执行的基本行为是函数调用，每次函数调用的数据都是通过java栈传递的。
java栈与数据结构上的栈有着类似的含义，它是一块先进后出的数据结构，只支持出栈和进栈两种操作，在java栈中保存的主要内容为栈帧。每一次函数调用，都会有一个对应的栈帧被压入java栈，每一个函数调用结束，都会有一个栈帧被弹出java栈。如下图：栈帧和函数调用。函数1对应栈帧1，函数2对应栈帧2，依次类推。函数1中调用函数2，函数2中调用函数3，函数3调用函数4.当函数1被调用时，栈帧1入栈，当函数2调用时，栈帧2入栈，当函数3被调用时，栈帧3入栈，当函数4被调用时，栈帧4入栈。当前正在执行的函数所对应的帧就是当前帧（位于栈顶），它保存着当前函数的局部变量、中间计算结果等数据。
当函数返回时，栈帧从java栈中被弹出，java方法区有两种返回函数的方式，一种是正常的函数返回，使用return指令，另一种是抛出异常。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。
在一个栈帧中，至少包含局部变量表、操作数栈和帧数据区几个部分。
7、方法区
和JAVA堆一样，方法区是一块所有线程共享的内存区域。方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它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。虽然Java虚拟机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做Non-Heap（非堆），目的是与Java堆区分开来。
对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation）,本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区。对于其他虚拟机（BEA JRockit、IBM J9等）来说是不存在永久代的概念的。即使是HotSpot虚拟机本身，也有放弃永久代并“搬家”至Native Memory来实现方法区的规划。
Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾回收。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，这部分回收的成绩比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是有必要的。
根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
8、本地方法栈
本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如 Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverFlowError和OutOfMemoryError异常。
9、 PC(Program Counter)寄存器
每个线程启动的时候，都会创建一个PC（Program Counter，程序计数器）寄存器。PC寄存器里保存有当前正在执行的JVM指令的地址。 每一个线程都有它自己的PC寄存器，也是该线程启动时创建的。保存下一条将要执行的指令地址的寄存器是 ：PC寄存器。PC寄存器的内容总是指向下一条将被执行指令的地址，这里的地址可以是一个本地指针，也可以是在方法区中相对应于该方法起始指令的偏移量。
它是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。
10、执行引擎
执行引擎是Java虚拟机最核心的组成部分之一，“虚拟机”是一个相对于“物理机”的概念，这两种机器都具有执行代码的能力。其区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、硬件、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由自己实现的，因此可以自行制定指令集和执行引擎的结构体系，并且能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。
在Java虚拟机规范中制定了虚拟机字节码执行引擎的概念模型，这个概念模型成为各种虚拟机执行引擎的统一外观（Facade）。从外观来看，所有的Java虚拟机执行引擎都是一致的：输入的是字节码文件，处理过程是字节码解析的过程，输出的是执行结果