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深入理解JAVA虚拟机

分类: 文章 • 2024-05-24 08:59:16

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JVM整体架构

  • JVM(虚拟机)：指以软件的方式模拟具有完整硬件系统功能、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统 ，是物理机的软件实现。常用的虚拟机有VMWare，Virtual Box，Java Virtual Machine
    Java虚拟机阵营：Sun HotSpot VM、BEA JRockit VM、IBM J9 VM、Azul VM、Apache Harmony、Google Dalvik VM、Microsoft JVM…
    深入理解JAVA虚拟机

JVM由三个主要的子系统构成
1.类加载器子系统
2.运行时数据区（内存结构）
3.执行引擎
深入理解JAVA虚拟机Java运行时编译源码(.java)成字节码，由jre运行。jre由java虚拟机（jvm）实现。Jvm分析字节码，后解释并执行

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JVM类加载器

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  • 类加载：类加载器将class文件加载到虚拟机的内存
  • 加载：在硬盘上查找并通过IO读入字节码文件
  • 连接：执行校验、准备、解析（可选）步骤
  • 校验：校验字节码文件的正确性
  • 准备：给类的静态变量分配内存，并赋予默认值
  • 解析：类装载器装入类所引用的其他所有类
  • 初始化：对类的静态变量初始化为指定的值，执行静态代码块

类加载器种类

  • 启动类加载器：负责加载JRE的核心类库，如jre目标下的rt.jar,charsets.jar等
  • 扩展类加载器：负责加载JRE扩展目录ext中JAR类包
  • 系统类加载器：负责加载ClassPath路径下的类包
  • 用户自定义加载器：负责加载用户自定义路径下的类包
    类加载机制
  • 全盘负责委托机制：当一个ClassLoader加载一个类时，除非显示的使用另一个ClassLoader，该类所依赖和引用的类也由这个ClassLoader载入
  • 双亲委派机制：指先委托父类加载器寻找目标类，在找不到的情况下在自己的路径中查找并载入目标类

深入理解JAVA虚拟机双亲委派模式优势

  • 沙箱安全机制：自己写的String.class类不会被加载，这样便可以防止核心API库被随意篡改
  • 避免类的重复加载：当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再 加载一次
    问题： JVM加载jar包是否会将包里的所有类全部加载进内存？
    答案：JVM对class文件是按需加载(运行期间动态加载)，非一次性加载，见示例(启动需要加上参数：-verbose:class)

JVM内存结构

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  • 地方法栈(线程私有)：登记native方法，在Execution Engine执行时加载本地方法库
  • 程序计数器（线程私有）：就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（用来存储指向下一条指令的地址,也即将要执行的指令代码），由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不记。
  • 方法区(线程共享)：类的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。简单说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，静态变量+常量+类信息(构造方法/接口定义)+运行时常量池都存在方法区中，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），目的应该是与 Java 堆区分开来。
  • Java栈（线程私有）： Java线程执行方法的内存模型，一个线程对应一个栈，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息）不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就释放，生命周期和线程一致
    JVM对Java栈规范了两种异常：
  1. 线程请求的栈深度大于虚拟机栈所允许的深度，将抛出*Error异常
  2. 若虚拟机栈可动态扩展，当无法申请到足够内存空间时将抛出OutOfMemoryError，通过jvm参数–Xss指定栈空间，空间大小决定函数调用的深度

实例详解Java栈
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栈+堆+方法区的交互关系
HotSpot是使用指针的方式来访问对象
Java堆中会存放访问类元数据的地址
reference存储的就直接是对象的地址
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  • 堆(线程共享)：虚拟机启动时创建，用于存放对象实例，几乎所有的对象（包含常量池）都在堆上分配内存，当对象无法再该空间申请到内存时将抛出OutOfMemoryError异常。同时也是垃圾收集器管理的主要区域。可通过 -Xmx –Xms 参数来分别指定最大堆和最小堆
    深入理解JAVA虚拟机新生区
    类诞生、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(Minor GC)，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？
    老年区
    新生区经过多次GC仍然存活的对象移动到老年区。若老年区也满了，那么这个时候将产生MajorGC（FullGC），进行老年区的内存清理。若老年区执行了Full GC之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常“OutOfMemoryError”

元数据区：元数据区取代了永久代(jdk1.8以前)，本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现，区别在于元数据区并不在虚拟机中，而是使用本地物理内存，永久代在虚拟机中，永久代逻辑结构上属于堆，但是物理上不属于堆，堆大小=新生代+老年代。元数据区也有可能发生OutOfMemory异常。
Jdk1.6及之前： 有永久代, 常量池在方法区
Jdk1.7： 有永久代，但已经逐步“去永久代”，常量池在堆
Jdk1.8及之后： 无永久代，常量池在元空间
元数据区的动态扩展，默认–XX:MetaspaceSize值为21MB的高水位线。一旦触及则Full GC将被触发并卸载没有用的类（类对应的类加载器不再存活），然后高水位线将会重置。新的高水位线的值取决于GC后释放的元空间。如果释放的空间少，这个高水位线则上升。如果释放空间过多，则高水位线下降。
为什么jdk1.8用元数据区取代了永久代？
官方解释：移除永久代是为融合HotSpot JVM与 JRockit VM而做出的努力，因为JRockit没有永久代，不需要配置永久代

JVM执行引擎

执行引擎：读取运行时数据区的Java字节码并逐个执行
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