JVM运行原理详解

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作为一名Java使用者,掌握JVM的体系结构也是很有必要的

-----------------来自小马哥的故事

1.JVM简析:

说起Java,我们首先想到的是Java编程语言,然而事实上,Java是一种技术,它由四方面组成:Java编程语言、Java类文件格式、Java虚拟机和Java应用程序接口(Java API)。它们的关系如下图所示:

Java组成关系

Java平台由Java虚拟机和Java应用程序接口搭建,Java语言则是进入这个平台的通道,用Java语言编写并编译的程序可以运行在这个平台上。这个平台的结构如下图所示: 运行期环境代表着Java平台,开发人员编写Java代码(.java文件),然后将之编译成字节码(.class文件),再然后字节码被装入内存,一旦字节码进入虚拟机,它就会被解释器解释执行,或者是被即时代码发生器有选择的转换成机器码执行。

JVM在它的生存周期中有一个明确的任务,那就是运行Java程序,因此当Java程序启动的时候,就产生JVM的一个实例;当程序运行结束的时候,该实例也跟着消失了。 在Java平台的结构中, 可以看出,Java虚拟机(JVM) 处在核心的位置,是程序与底层操作系统和硬件无关的关键。它的下方是移植接口,移植接口由两部分组成:适配器和Java操作系统, 其中依赖于平台的部分称为适配器;JVM 通过移植接口在具体的平台和操作系统上实现;在JVM 的上方是Java的基本类库和扩展类库以及它们的API, 利用Java API编写的应用程序(application) 和小程序(Java applet) 可以在任何Java平台上运行而无需考虑底层平台, 就是因为有Java虚拟机(JVM)实现了程序与操作系统的分离,从而实现了Java 的平台无关性。

2.JVM基本概念

(1) 基本概念:

JVM是可运行Java代码的假想计算机 ,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是运行在操作系统之上的,它与硬件没有直接的交互。

(2) 运行过程:

我们都知道Java源文件,通过编译器,能够生产相应的.Class文件,也就是字节码文件,而字节码文件又通过Java虚拟机中的解释器,编译成特定机器上的机器码 。

也就是如下:

① Java源文件—->编译器—->字节码文件

② 字节码文件—->JVM—->机器码

每一种平台的解释器是不同的,但是实现的虚拟机是相同的,这也就是Java为什么能够跨平台的原因了 ,当一个程序从开始运行,这时虚拟机就开始实例化了,多个程序启动就会存在多个虚拟机实例。程序退出或者关闭,则虚拟机实例消亡,多个虚拟机实例之间数据不能共享。

类加载详细过程

一个Java文件从编码完成到最终执行,一般主要包括两个过程编译和运行

而我们所说的类加载过程即是指JVM虚拟机把.class文件中类信息加载进内存,并进行解析生成对应的class对象的过程。

举个通俗点的例子来说,JVM在执行某段代码时,遇到了class A, 然而此时内存中并没有class A的相关信息,于是JVM就会到相应的class文件中去寻找class A的类信息,并加载进内存中,这就是我们所说的类加载过程。

由此可见,JVM不是一开始就把所有的类都加载进内存中,而是只有第一次遇到某个需要运行的类时才会加载,且只加载一次

类加载

类加载的过程主要分为三个部分:”加载”,””链接”,”“初始化”

而链接又可以细分为三个小部分:”验证”,”准备”,”解析”

截屏2021-12-19 下午6.45.24

加载

简单来说,加载指的是把class字节码文件从各个来源通过类加载器装载入内存中。

这里有两个重点:

为什么会有自定义类加载器?

  • 一方面是由于java代码很容易被反编译,如果需要对自己的代码加密的话,可以对编译后的代码进行加密,然后再通过实现自己的自定义类加载器进行解密,最后再加载。
  • 另一方面也有可能从非标准的来源加载代码,比如从网络来源,那就需要自己实现一个类加载器,从指定源进行加载。
链接
验证

主要是为了保证加载进来的字节流符合虚拟机规范,不会造成安全错误。

包括对于文件格式的验证,比如常量中是否有不被支持的常量?文件中是否有不规范的或者附加的其他信息?

对于元数据的验证,比如该类是否继承了被final修饰的类?类中的字段,方法是否与父类冲突?是否出现了不合理的重载?

对于字节码的验证,保证程序语义的合理性,比如要保证类型转换的合理性。

对于符号引用的验证,比如校验符号引用中通过全限定名是否能够找到对应的类?校验符号引用中的访问性(private,public等)是否可被当前类访问?

准备

主要是为类变量(注意,不是实例变量)分配内存,并且赋予初值

特别需要注意,初值,不是代码中具体写的初始化的值,而是Java虚拟机根据不同变量类型的默认初始值。

比如8种基本类型的初值,默认为0;引用类型的初值则为null;常量的初值即为代码中设置的值,final static tmp = 456, 那么该阶段tmp的初值就是456

解析

将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

两个重点:

举个例子来说,现在调用方法hello(),这个方法的地址是1234567,那么hello就是符号引用,1234567就是直接引用。

在解析阶段,虚拟机会把所有的类名,方法名,字段名这些符号引用替换为具体的内存地址或偏移量,也就是直接引用。

初始化

这个阶段主要是对类变量初始化,是执行类构造器的过程。

换句话说,只对static修饰的变量或语句进行初始化。

如果初始化一个类的时候,其父类尚未初始化,则优先初始化其父类。

如果同时包含多个静态变量和静态代码块,则按照自上而下的顺序依次执行。

总结

类加载过程只是一个类生命周期的一部分,在其前,有编译的过程,只有对源代码编译之后,才能获得能够被虚拟机加载的字节码文件;在其后还有具体的类使用过程,当使用完成之后,还会在方法区垃圾回收的过程中进行卸载。如果想要了解Java类整个生命周期的话,可以自行上网查阅相关资料,这里不再多做赘述。

(3) 三种JVM:

① Sun公司的HotSpot;

② BEA公司的JRockit;

③ IBM公司的J9 JVM;

在JDK1.7及其以前我们所使用的都是Sun公司的HotSpot,但由于Sun公司和BEA公司都被oracle收购,jdk1.8将采用Sun公司的HotSpot和BEA公司的JRockit两个JVM中精华形成jdk1.8的JVM。

3.JVM的体系结构

(1) Class Loader类加载器

负责加载 .class文件,class文件在文件开头有特定的文件标示,并且ClassLoader负责class文件的加载等,至于它是否可以运行,则由Execution Engine决定。 ① 定位和导入二进制class文件 ② 验证导入类的正确性 ③ 为类分配初始化内存 ④ 帮助解析符号引用.

(2) 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C/C++横行的时候,要想立足,必须有调用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,它的具体作法是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。 因为现在的异构领域间的通信很发达,比如可以使用Socket通信,也可以使用Web Service等。

(3) Execution Engine 执行引擎:

执行包在装载类的方法中的指令,也就是方法。

(4) Runtime data area 运行数据区:

虚拟机内存或者Jvm内存,冲整个计算机内存中开辟一块内存存储Jvm需要用到的对象,变量等,运行区数据有分很多小区,分别为:方法区,虚拟机栈,本地方法栈,堆,程序计数器。

4.JVM数据运行区详解(栈管运行,堆管存储):

说明:JVM调优主要就是优化 Heap堆 和 Method Area 方法区。

JVM运行时数据区域

(1) Native Method Stack本地方法栈

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。

(2) PC Register程序计数器

每个线程都有一个程序计算器,就是一个指针,指向方法区中的方法字节码(下一个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。

(3) Method Area方法区

方法区是被所有线程共享,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,此区域属于共享区间。 静态变量+常量+类信息+运行时常量池存在方法区中,实例变量存在堆内存中。

5 Stack 栈

① 栈是什么

栈也叫栈内存,主管Java程序的运行,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,生命周期和线程一致,是线程私有的。 基本类型的变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分配。

② 栈存储什么?

栈帧中主要保存3类数据: 本地变量(Local Variables):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。

③ 栈运行原理

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,B方法又调用了C方法,于是产生栈帧F3也被压入栈…… 依次执行完毕后,先弹出后进......F3栈帧,再弹出F2栈帧,再弹出F1栈帧。

遵循“先进后出”/“后进先出”原则。

6 Heap 堆

堆这块区域是JVM中最大的,应用的对象和数据都是存在这个区域,这块区域也是线程共享的,也是 gc 主要的回收区,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:

① 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进行垃圾回收(Minor GC),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去也满了呢?再移动到养老区。若养老区也满了,那么这个时候将产生Major GC(FullGCC),进行养老区的内存清理。若养老区执行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”。

如果出现java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space异常,说明Java虚拟机的堆内存不够。原因有二:

a.Java虚拟机的堆内存设置不够,可以通过参数-Xms、-Xmx来调整。

b.代码中创建了大量大对象,并且长时间不能被垃圾收集器收集(存在被引用)。

② 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。

③ 永久区

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。

如果出现java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,说明是Java虚拟机对永久代Perm内存设置不够。原因有二:

a. 程序启动需要加载大量的第三方jar包。例如:在一个Tomcat下部署了太多的应用。 b. 大量动态反射生成的类不断被加载,最终导致Perm区被占满。

说明: Jdk1.6及之前:常量池分配在永久代 。 Jdk1.7:有,但已经逐步“去永久代” 。 Jdk1.8及之后:无(java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,这种错误将不会出现在JDK1.8中)。

说明:方法区和堆内存的异议: 实际而言,方法区和堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储虚拟机加载的:类信息+普通常量+静态常量+编译器编译后的代码等等,虽然JVM规范将方法区描述为堆的一个逻辑部分,但它却还有一个别名叫做Non-Heap(非堆),目的就是要和堆分开。

对于HotSpot虚拟机,很多开发者习惯将方法区称之为“永久代(Parmanent Gen)”,但严格本质上说两者不同,或者说使用永久代来实现方法区而已,永久代是方法区的一个实现,jdk1.7的版本中,已经将原本放在永久代的字符串常量池移走。

常量池(Constant Pool)是方法区的一部分,Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息就是常量池,这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

6.堆内存调优简介

代码测试:

public class JVMTest {  
     public static void main(String[] args){  
          long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();//返回Java虚拟机试图使用的最大内存量。  
          Long totalMemory = Runtime. getRuntime().totalMemory();//返回Java虚拟机中的内存总量。  
          System.out.println("MAX_MEMORY ="+maxMemory +"(字节)、"+(maxMemory/(double)1024/1024) + "MB");  
          System.out.println("TOTAL_ MEMORY = "+totalMemory +"(字节)"+(totalMemory/(double)1024/1024) + "MB");  
     }  
}

说明:在Run as ->Run Configurations中输入"-XX:+PrintGCDetails"可以查看堆内存运行原理图:

(1) 在jdk1.7中:

(2) 在jdk1.8中:

7.通过参数设置自动触发垃圾回收:

public class JVMTest {
     public static void main(String[] args){
          long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();//返回Java虚拟机试图使用的最大内存量。
          Long totalMemory = Runtime. getRuntime().totalMemory();//返回Java虚拟机中的内存总量。
          System.out.println("MAX_MEMORY ="+maxMemory +"(字节)、"+(maxMemory/(double)1024/1024) + "MB");
          System.out.println("TOTAL_ MEMORY = "+totalMemory +"(字节)"+(totalMemory/(double)1024/1024) + "MB");
          String str = "www.baidu.com";
          while(true){
              str += str + new Random().nextInt(88888888) + new Random().nextInt(99999999);
          }
     }
}

在Run as ->Run Configurations中输入设置“-Xmx8m –Xms8m –xx:+PrintGCDetails”可以参看垃圾回收机制原理: