Java虛擬機這一塊 —— 深入理解java虛擬機（jvm）

爲什麼要了解虛擬機

JVM 不單單隻支持 Java 語言，也支持其他語言（Scala、Kotlin、Groovy 等等）區塊鏈 2.0–以太坊(比特幣是區塊鏈 1.0) 中提供了 EVM 的虛擬機，它的實現和 JVM 類似，基於棧、生成腳本編譯成字節碼來執行。知識通用。（理論大於實際）

虛擬機歷史

瞭解即可，無需關注

解釋執行和編譯執行（針對字節碼的執行）解釋執行就是邊翻譯爲機器碼邊執行、即時編譯（編譯執行）就是先將一個方法中的所有字節碼全部編譯成機器碼之後再執行。
Hotspot 採用的是先解釋執行，到了一定時機後熱點代碼（多次執行、循環等）再翻譯成機器碼熱點代碼探測技術（通過執行計數器找到最有編譯價值的代碼，如果代碼用得非常頻繁，就會把這些代碼編譯成本地代碼）。
JRockit 採取的方法是在執行 class 時直接編譯爲機器碼（Java 程序啓動速度會比較慢）
J9 和 Hotspot 比較接近，主要是用在 IBM 產品（IBMWebSphere 和 IBM 的 AIX 平臺上），華爲有的項目用的 J9。
谷歌：GoogleAndroidDalivkVM：使用的寄存器架構，執行 dex（DalvikExecutable）通過 class 轉化而來。

未來的 Java 技術

模塊化

OSGI（動態化、模塊化），應用層面就是微服務，互聯網的發展方向混合語言：多個語言都可以運行在 JVM 中，google 的 Kotlin 成爲了 Android 的官方語言。Scala(Kafka)

多核並行

CPU 從高頻次轉變爲多核心，多核時代。JDK1.7 引入了 Fork/Join，JDK1.8 提出 lambda 表達式(函數式編程天生適合並行運行)

豐富語法

JDK5 提出自動裝箱、泛型(併發編程講到)、動態註解等語法。JDK7 二進制原生支持。try-catch-finally 至 try-with-resource

64 位

雖然同樣的程序 64 位內存消耗比 32 位要多一點，但是支持內存大，所以虛擬機都會完全過渡到 64 位，32 位的 JVM 有 4G 的堆大小限制。

更強的垃圾回收器（現在主流 CMS、G1）

JDK11 –ZGC（暫停時間不超過 10 毫秒，且不會隨着堆的增加而增加，TB 級別的堆回收））：有色指針、加載屏障。JDK12 支持併發類卸載，進一步縮短暫停時間 JDK13(計劃於 2019 年 9 月)將最大堆大小從 4TB 增加到 16TB

JavaSE 體系架構

JavaSE，Java 平臺標準版，爲 JavaEE 和 JavaME 提供了基礎。

JDK

Java 開發工具包，JDK 是 JRE 的超集，包含 JRE 中的所有內容，以及開發程序所需的編譯器和調試程序等工具。

JRE

JavaSE 運行時環境，提供庫、Java 虛擬機和其他組件來運行用 Java 編程語言編寫的程序。主要類庫，包括：程序部署發佈、用戶界面工具類、繼承庫、其他基礎庫，語言和工具基礎庫

JVM

java 虛擬機，負責 JavaSE 平臺的硬件和操作系統無關性、編譯執行代碼（字節碼）和平臺安全性

運行時數據區域

這個是抽象概念，內部實現依賴寄存器、高速緩存、主內存（具體要分析 JVM 源碼 C++語言實現，沒必要看）
計算機的運行=指令+數據，指令用於執行方法的，數據用於存放數據和對象的。
虛擬機棧----執行 java 方法、本地方法棧—執行本地方法、程序計數器—程序執行的計數器
Java 中的數據：變量、常量、對象、數組相關。

線程私有區域

程序計數器

較小的內存空間，當前線程執行的字節碼的行號指示器；
各線程之間獨立存儲，互不影響（面試可能問到爲什麼需要）如果線程正在執行的是一個 Java 方法，則指明當前線程執行的代字節碼行數如果正在執行的是 Natvie 方法，這個計數器值則爲空（Undefined）此內存區域是唯一一個不會出現 OutOfMemoryError 情況的區域。

注：jvm中唯一不會oom

什麼是棧？

棧（Stack）：數據結構

入口和出口只有一個
入棧
出棧

特點：

先進後出（FILO）

出棧入棧的圖示：

虛擬機棧

存儲當前線程運行方法所需的數據，指令、返回地址

每個線程私有的，線程在運行時，在執行每個方法的時候都會打包成一個棧幀，存儲了局部變量表，操作數棧，動態鏈接，方法出口等信息，然後放入棧。每個時刻正在執行的當前方法就是虛擬機棧頂的棧楨。方法的執行就對應着棧幀在虛擬機棧中入棧和出棧的過程。
棧的大小缺省爲 1M
可用參數 –Xss 調整大小，例如-Xss256k
在編譯程序代碼的時候，棧幀中需要多大的局部變量表，多深的操作數棧都已經完全確定了，並且寫入到方法表的 Code 屬性之中，因此一個棧幀需要分配多少內存，不會受到程序運行期變量數據的影響，而僅僅取決於具體的虛擬機實現。

棧幀

每個方法在執行的同時都會創建一個棧幀

棧幀還可以劃分爲：

局部變量表
顧名思義就是局部變量的表，用於存放我們的局部變量的。首先它是一個 32 位的長度，主要存放我們的 Java 的八大基礎數據類型，一般 32 位就可以存放下，如果是 64 位的就使用高低位佔用兩個也可以存放下，如果是局部的一些對象，比如我們的 Object 對象，我們只需要存放它的一個引用地址即可。（基本數據類型、對象引用、returnAddress 類型）
操作數棧
存放我們方法執行的操作數的，它就是一個棧，先進後出的棧結構，操作數棧，就是用來操作的，操作的的元素可以是任意的 java 數據類型，所以我們知道一個方法剛剛開始的時候，這個方法的操作數棧就是空的，操作數棧運行方法是會一直運行入棧/出棧的操作
動態鏈接
Java 語言特性多態（需要類加載、運行時才能確定具體的方法）
返回地址（方法出口）
正常返回（調用程序計數器中的地址作爲返回）

三步曲：恢復上層方法的局部變量表和操作數棧、把返回值（如果有的話）壓入調用者棧幀的操作數棧中、調整 PC計數器的值以指向方法調用指令後面的一條指令、異常的話（通過異常處理器表<非棧幀中的>來確定）

本地方法棧

本地方法棧保存的是native方法的信息，當一個JVM創建的線程調用native方法後，JVM不再爲其在虛擬機棧中創建棧幀，JVM只是簡單的動態鏈接並直接調用native方法

虛擬機規範無強制規定，各版本虛擬機自由實現，HotSpot直接把虛擬機棧與本地方法棧合二爲一

線程共享區域(針對數據的存放)

方法區（永生代（JDK1.7和以前）、元空間（JDK1.8））

用於存儲已經被虛擬機加載的類信息，常量(“zdy”,"123"等)，靜態變量(static 變量)等數據，可用以下參數調整：
jdk1.7 及以前：-XX:PermSize；-XX:MaxPermSize；
jdk1.8 以後：-XX:MetaspaceSize； -XX:MaxMetaspaceSize
jdk1.8 以後大小就只受本機總內存的限制
如：-XX:MaxMetaspaceSize=3M

類信息
類的完整有效名、返回值類型、修飾符（public，private…）、變量名、方法名、方法代碼、這個類型直接父類的完整有效名(除非這個類型是 interface 或是 java.lang.Object，兩種情況下都沒有父類)、類的直接接口的一個有序列表
常量
靜態變量
即時編譯期編譯後的代碼

注：方法區中的信息一般不會被回收

java堆

幾乎所有對象都分配在這裏，也是垃圾回收發生的主要區域
可用以下參數調整：

-Xms：堆的最小值；
-Xmx：堆的最大值；
-Xmn：新生代的大小；
-XX:NewSize；新生代最小值；
-XX:MaxNewSize：新生代最大值；

例如-Xmx256m

運行時常量池

符號引用（一個概念）

一個 java 類（假設爲 People 類）被編譯成一個 class 文件時，如果 People 類引用了 Tool 類，但是在編譯時 People 類並不知道引用類的實際內存地址，因此只能使用符號引用來代替。
而在類裝載器裝載 People 類時，此時可以通過虛擬機獲取 Tool 類的實際內存地址，因此便可以既將符號 org.simple.Tool 替換爲 Tool 類的實際內存地址，及直接引用地址。
即在編譯時用符號引用來代替引用類，在加載時再通過虛擬機獲取該引用類的實際地址.
以一組符號來描述所引用的目標，符號可以是任何形式的字面量，只要使用時能無歧義地定位到目標即可。符號引用與虛擬機實現的內存佈局是無關的，引用的目標不一定已經加載到內存中。

字面量

文本字符串 Stringa=“abc”,這個 abc 就是字面量，
八種基本類型 int a=1; 這個 1 就是字面量
聲明爲 final 的常量

JDK1.6時運行時常量池存在於方法區中，JDK1.7時運行時常量池放在了堆中

JDK1.7=>JDK1.8

直接內存(JVM直接管理不了的)

不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是java虛擬機規範中定義的內存區域；

如果使用了NIO,這塊區域會被頻繁使用，在java堆內可以用directByteBuffer對象直接引用並操作；
這塊內存不受java堆大小限制，但受本機總內存的限制，可以通過MaxDirectMemorySize來設置（默認與堆內存最大值一樣），所以也會出現OOM異常；
避免了在Java 堆和Native 堆中來回複製數據，能夠提高效率

站在線程角度來看

虛擬機棧、本地方法棧、程序計數器三個區域的生命週期和線程相同。
線程共享區域：就複雜多了，後續完善

深入辨析堆和棧

功能

以棧幀的方式存儲方法調用的過程，並存儲方法調用過程中基本數據類型的變量（int、 short、 long、 byte、 float、
double、boolean、char 等）以及對象的引用變量，其內存分配在棧上，變量出了作用域就會自動釋放；
而堆內存用來存儲 Java 中的對象。無論是成員變量，局部變量，還是類變量，它們指向的對象都存儲在堆內
存中；

線程獨享還是共享

棧內存歸屬於單個線程，每個線程都會有一個棧內存，其存儲的變量只能在其所屬線程中可見，即棧內存可
以理解成線程的私有內存。
堆內存中的對象對所有線程可見。堆內存中的對象可以被所有線程訪問。

空間大小

棧的內存要遠遠小於堆內存

棧溢出

參數：-Xss256k

java.lang.StackOverflowError 一般的方法調用是很難出現的，如果出現了要考慮是否有無限遞歸。
虛擬機棧帶給我們的啓示：方法的執行因爲要打包成棧楨，所以天生要比實現同樣功能的循環慢，所以樹的遍歷算法中：遞歸和非遞歸(循環來實現)都有存在的意義。遞歸代碼簡潔，非遞歸代碼複雜但是速度較快。
OutOfMemoryError：不斷建立線程。（一般演示不出，演示出來機器也死了）

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