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了解JVM（Java虛擬機）首先我們必須了解VM（虛擬機）是什么。

所謂虛擬機（Virtual Machine），就是一臺虛擬的計算機。它是一款軟件，用來執(zhí)行一系列虛擬計算機指令。大體上，虛擬機可以分為系統(tǒng)虛擬機和程序虛擬機。

我們經(jīng)常見到的 VMware 就屬于系統(tǒng)虛擬機，它是完全對物理計算機的仿真，提供了一個可運行完整操作系統(tǒng)的軟件平臺。

程序虛擬機典型的代表就是 Java 虛擬機了，它專門為執(zhí)行某個單個計算機程序而設(shè)計。在 Java 虛擬機中執(zhí)行的指令我們稱為 Java 字節(jié)碼指令。無論是系統(tǒng)虛擬機還是程序虛擬機，在上面運行的軟件都被限制于虛擬機提供的資源。Java 虛擬機是一種執(zhí)行 Java 字節(jié)碼文件的虛擬計算機，它擁有獨立的運行機制。

Java 技術(shù)的核心就是 Java 虛擬機，因為所有的 Java 程序都運行在 Java 虛擬機內(nèi)部。

JVM概述

JVM就是Java虛擬機，虛擬機就是一臺虛擬的計算機，是一款軟件。Java 虛擬機就是二進制字節(jié)碼的運行環(huán)境，負責裝載字節(jié)碼到其內(nèi)部，解釋或編譯為對應(yīng)平臺上的機器碼指令執(zhí)行，每一條 Java 指令，Java 虛擬機中都有詳細定義，如怎么取操作數(shù)，怎么處理操作數(shù)，處理結(jié)果放在哪兒等。JVM是運行在操作系統(tǒng)上的，不與硬件直接交互。

JVM整體的四個部分

JVM整體組成可以分為4個部分：

1. 類加載器（ClassLoader）
2. 運行時數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Area）
3. 執(zhí)行引擎（Execution Engine）
4. 本地方法接口（Native Interface）

程序在執(zhí)行之前先要把 Java 代碼轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼（.class 文件），JVM 首先需要把字節(jié)碼通過一定的類加載器（Class Loader）把文件加載到內(nèi)存中運行時數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Area），而字節(jié)碼文件是 JVM 的一套指令集規(guī)范，并不能直接交給底層操作系統(tǒng)去執(zhí)行，因此需要特定的命令解析器（執(zhí)行引擎（Execution Engine）） 將字節(jié)碼翻譯成底層系統(tǒng)指令再交由 CPU 去執(zhí)行，而這個過程中需要調(diào)用其他語言的接口（本地方法接口（Native Interface）） 來實現(xiàn)。整個程序的功能，這就是這 4 個主要組成部分的職責與功能。

1.1 類加載器

Java編譯器會為虛擬機轉(zhuǎn)換源指令。虛擬機代碼存儲在以 .class 為擴展名的類文件中，每個類文件都包含某個類或者接口的定義和實現(xiàn)代碼。

? ——Java核心基礎(chǔ)（卷二）

1.1.1 類加載器過程

類加載器子系統(tǒng)負責從文件系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)中加載 class 文件， class 文件在文件開頭有特定的文件標識(字節(jié)碼文件都以 CA FE BA BE 標識開頭)。classLoader 只負責 class 文件的加載，至于它是否可以運行，則由執(zhí)行引擎決定。加載的類信息存放于一塊稱為方法區(qū)的內(nèi)存空間。除了類的信息外，方法區(qū)中還會存放運行時常量池信息，可能還包括字符串字面量和數(shù)字常量（這部分常量信息是 class 文件中常量池部分的內(nèi)存映射）。

類加載的過程

1.加載過程是把class文件（字節(jié)碼文件）加載到內(nèi)存中（I/O讀寫）。類加載器把文件加載到內(nèi)存中，會為每個類創(chuàng)建一個Class類的對象，調(diào)用Class類中的方法獲取類的相關(guān)信息。

2.驗證是檢驗加載的類是否有正確的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并和其他類協(xié)調(diào)一致。

3.準備階段為類的靜態(tài)屬性分配內(nèi)存，并設(shè)置默認初始值（不包含final修飾的static常量），也不會給實例變量初始化。

4.解析是將二進制數(shù)據(jù)中的符號引用替換成直接引用（符號引用是用一組符號描述所引用的目標；直接引用是指向目標的指針）。

5.類初始化

? 5.1 什么時候初始化類

? 1 )創(chuàng)建類的實例，也就是 new 一個對象
? 2）訪問某個類或接口的靜態(tài)變量，或者對該靜態(tài)變量賦值
? 3）調(diào)用類的靜態(tài)方法
? 4）反射
? 5）初始化一個類的子類（會首先初始化子類的父類）

? 5.2 類的初始化順序：

? 父類static --> 子類static --> 父類構(gòu)造方法 --> 子類構(gòu)造方法

1.1.2類加載器的分類

1.1.2.1啟動類加載器（引導(dǎo)類加載器）

是由c/c++實現(xiàn)，用來加載Java的核心類庫

1.1.2.2擴展類加載器

由Java實現(xiàn)，派生于 ClassLoader 類。上層類加載器是引導(dǎo)類加載器（啟動類加載器），加載底層類庫

1.1.2.3應(yīng)用程序類加載器

Java實現(xiàn)，派生于 ClassLoader 類。上層類加載器是擴展類加載器，加載自定義類。

1.1.3 雙親委派機制

加載類時，向上委派，交給最上層的加載器啟動類加載器加載核心類庫，加載不到就用擴展類加載器加載底層類庫，加載不到就用應(yīng)用程序類加載器加載自定義類

雙親委派機制的優(yōu)點

1. 安全，可避免用戶自己編寫的類動態(tài)替換 Java 的核心類（自定義的類名和Java核心類名相同）
2. 避免全限定命名的類重復(fù)加載(使用了 findLoadClass()判斷當前類是否已加載)

1.1.4沙箱安全機制

作用是防止惡意代碼污染 Java 源代碼

如果一個類在引導(dǎo)類加載器那里就加載到了，先找到先使用，所以就使用引導(dǎo)類加載器里面的類，后面的一概不能使用，這就保證了不被惡意代碼污染。

1.1.5 類的主動使用和被動使用

JVM 規(guī)定，每個類或者接口被首次主動使用時才對其進行初始化，有主動使用，自然就有被動使用。
主動使用：

1. 通過new關(guān)鍵字被導(dǎo)致類的初始化,這是大家經(jīng)常使用的初始化一個類的方式,
   他肯定會導(dǎo)致類的加載并且初始化
2. 訪問類的靜態(tài)變量,包括讀取和更新
3. 訪問類的靜態(tài)方法
4. 對某個類進行反射操作,會導(dǎo)致類的初始化
5. 初始化子類會導(dǎo)致父類的的初始化
6. 執(zhí)行該類的 main 函數(shù)

被動使用：其實除了上面的幾種主動使用其余就是被動使用了

注意：主動使用和被動使用的區(qū)別在于類是否會被初始化.

1. 引用該類的靜態(tài)常量，注意是常量，不會導(dǎo)致初始化，但是也有意外，這里的常量是指已經(jīng)指定字面量的常量，對于那些需要一些計算才能得出結(jié)果的常量就會導(dǎo)致初始化，比如:
   public final static int number = 5 ; //不會導(dǎo)致類初始化,被動使用
   public final static int random = new Random().nextInt() ; //會導(dǎo)致類的初始化,主動使用
2. 構(gòu)造某個類的數(shù)組時不會導(dǎo)致該類的初始化,比如:
   Student[] students = new Student[10] ;

1.2 運行時數(shù)據(jù)區(qū)

JVM 的運行時數(shù)據(jù)區(qū)，不同虛擬機實現(xiàn)可能略微有所不同，但都會遵從 Java 虛擬機規(guī)范，Java 8 虛擬機規(guī)范規(guī)定，Java 虛擬機所管理的內(nèi)存將會包括程序計數(shù)器、Java虛擬機棧、本地方法棧、Java堆、方法區(qū)。

1.2.1 程序計數(shù)器（Program Counter Register）

JVM 中的程序計數(shù)寄存器中的 Register 命名源于CPU 的寄存器，寄存器存儲指令相關(guān)的現(xiàn)場信息。這里，并非是廣義上所指的物理寄存器，或許將其翻譯為 PC 計數(shù)器(或指令計數(shù)器)會更加貼切(也稱為程序鉤子)。JVM 中的PC 寄存器是對物理 PC 寄存器的一種抽象模擬。

1. 它是一塊很小的內(nèi)存空間，幾乎可以忽略不計，但是它是運行速度最快的存儲區(qū)域。
2. 在 JVM 規(guī)范中，每個線程都有它自己的程序計數(shù)器，是線程私有的，生命周期與線程生命周期保持一致。
3. 任何時間一個線程都只有一個方法在執(zhí)行，也就是所謂的當前方法，程序計數(shù)器會存儲當前線程正在執(zhí)行的Java方法的JVM指令地址。如果是在執(zhí)行native方法，則是未指定值(undefined)。
4. 它是程序控制流的指示器，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理，線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成。
5. 字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令。
6. 它是唯一一個在Java虛擬機規(guī)范中沒有規(guī)定任何 OutOfMemoryError 情況的區(qū)域.

那么為什么使用程序計數(shù)器記錄當前線程的執(zhí)行地址呢？我們都知道CPU需要不停的切換各個線程，這時候從其他線程切換到這個線程時，根據(jù)程序計數(shù)器就知道該從哪里開始執(zhí)行了。JVM 的字節(jié)碼解釋器就需要通過改變程序計數(shù)器的值來明確下一條應(yīng)該執(zhí)行什么樣的字節(jié)碼指令，由于這個原因，必須為每個線程分配一個程序計數(shù)器，這樣各個線程就可以互不干擾。

1.2.2 Java 虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）

首先我們需要學會區(qū)分棧和堆：

棧是運行時的單位，而堆時存儲的單位。

1. 棧：解決程序的運行問題，即程序如何執(zhí)行，或者說如何處理數(shù)據(jù)。
2. 堆：解決的是數(shù)據(jù)存儲的問題，即數(shù)據(jù)怎么放，放在哪兒。

1.2.2.1 Java虛擬機棧概述

每個線程在創(chuàng)建時都會創(chuàng)建一個虛擬機棧，其內(nèi)部保存一個個棧幀，對應(yīng)著一次方法的調(diào)用。Java 虛擬機棧是線程私有的。生命周期和線程一致。棧中的數(shù)據(jù)都以棧幀為單位存儲。棧幀是一個內(nèi)存區(qū)塊，是一個數(shù)據(jù)集，維系著方法執(zhí)行過程中的各種數(shù)據(jù)信息。

作用：主要負責Java程序的運行，保存方法內(nèi)的局部變量，還有部分結(jié)果，還參與方法的調(diào)用和返回。

棧是一種快速有效的分配存儲方式，訪問速度僅次于程序計數(shù)器。JVM 直接對 Java 棧的操作只有兩個：

1. 調(diào)用方法，進棧。
2. 執(zhí)行結(jié)束后出棧。

注意：對于棧來說不存在垃圾回收問題。

1.2.2.2棧的運行原理

1. JVM 直接對 Java 棧的操作只有兩個，就是對棧幀的壓棧和出棧，遵循”先進后出“后進先出的原則。
2. 在一條活動的線程中，一個時間點上，只會有一個活動棧。即只有當前在執(zhí)行的方法的棧幀（此時這個棧楨在棧頂）是有效地，這個棧幀被稱為當前棧(Current Frame)，與當前棧幀對應(yīng)的方法稱為當前方法（Current Method），定義這個方法的類稱為當前類（Current Class）。
3. 執(zhí)行引擎運行的所有字節(jié)碼指令只針對當前棧幀進行操作。
4. 如果在該方法中調(diào)用了其他方法，對應(yīng)的新的棧幀就會被創(chuàng)建出來，放在棧的頂端，成為新的當前棧幀。
5. 不同線程中所包含的棧幀（方法）是不允許存在相互引用的，即不可能在一個棧中引用另一個線程的棧幀(方法)。
6. 如果當前方法調(diào)用了其他方法，方法返回之際，當前棧幀會傳回此方法的執(zhí)行結(jié)果給前一個棧幀，接著虛擬機會丟棄當前棧幀，使得前一個棧幀重新成為當前棧幀。Java 方法有兩種返回的方式，一種是正常的函數(shù)返回，使用 return 指令，另一種是拋出異常。不管哪種方式，都會導(dǎo)致棧幀被彈出.

1.2.2.3 棧幀的內(nèi)部

每個棧幀中都有：局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法返回地址、一下附加信息。

1.2.2.3.1局部變量表(Local Variables)

局部變量表用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)部定義的局部變量。

對于基本數(shù)據(jù)類型的變量，則直接存儲它的值，對于引用類型的變量，則存的是指向?qū)ο蟮囊谩?/p>

1.2.2.3.2 操作數(shù)棧(Operand Stack)(或表達式棧)

程序中的所有計算過程都是在借助于操作數(shù)棧來完成的。

1.2.2.3.3 動態(tài)鏈接(Dynamic Linking) (或指向運行時常量池的方法引用)

因為在方法執(zhí)行的過程中有可能需要用到類中的常量或方法，所以必須要有一個引用指向運行時常量池。

1.2.2.3.4 方法返回地址(Return Address)(或方法正常退出或者異常退出的定義)

當一個方法執(zhí)行完畢之后，要返回之前調(diào)用它的地方，因此在棧幀中必須保存一個方法返回地址。

1.2.2.3.5 一些附加信息

例如和調(diào)試相關(guān)的信息，這部分信息完全取決于不同的虛擬機實現(xiàn)。

1.2.3 本地方法棧

1. Java 虛擬機棧管理 java 方法的調(diào)用，而本地方法棧用于管理本地方法的調(diào)用。

2. 本地方法棧也是線程私有的.

3. 允許被實現(xiàn)成固定或者是可動態(tài)擴展的內(nèi)存大小。

內(nèi)存溢出方面也是相同的。
如果線程請求分配的棧容量超過本地方法棧允許的最大容量，會拋出StackOverflowError。
如果本地方法可以動態(tài)擴展，并在擴展時無法申請到足夠的內(nèi)存會拋出OutOfMemoryError。

4. 本地方法是用 C 語言寫的.

1.2.4 堆內(nèi)存

堆內(nèi)存概述：

1. 一個 JVM 實例只存在一個堆內(nèi)存，堆也是 Java 內(nèi)存管理的核心區(qū)域。
2. Java 堆區(qū)在 JVM 啟動時的時候即被創(chuàng)建，其空間大小也就確定了，是 JVM 管理的最大一塊內(nèi)存空間。
3. 堆內(nèi)存的大小是可以調(diào)節(jié)。一般情況可以將起始值和最大值設(shè)置為一致，這樣會減少垃圾回收之后堆內(nèi)存重新分配大小的次數(shù)，提高效率。
4. 《Java 虛擬機規(guī)范》規(guī)定，堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，但邏輯上它應(yīng)該被視為連續(xù)的。
5. 所有的線程共享 Java 堆，在這里還可以劃分線程私有的緩沖區(qū)。
6. 《Java 虛擬機規(guī)范》中對 Java 堆的描述是：所有的對象實例都應(yīng)當在運行時分配在堆上。
7. 在方法結(jié)束后，堆中的對象不會馬上被移除，僅僅在垃圾收集的時候才會被移除。
8. 堆是 GC(Garbage Collection，垃圾收集器)執(zhí)行垃圾回收的重點區(qū)域。

我們在之后在細講堆內(nèi)存的區(qū)域劃分及垃圾回收機制

1.2.5方法區(qū)

方法區(qū)，是一個被線程共享的內(nèi)存區(qū)域。其中主要存儲加載的類字節(jié)碼、class/method/field 等元數(shù)據(jù)、static final 常量、static 變量、編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。另外，方法區(qū)包含了一個特殊的區(qū)域“運行時常量池”。
Java 虛擬機規(guī)范中明確說明：”盡管所有的方法區(qū)在邏輯上是屬于堆的一部分，但對于HotSpotJVM 而言，方法區(qū)還有一個別名叫做 Non-Heap(非堆)，目的就是要和堆分開。所以，方法區(qū)看做是一塊獨立于 Java 堆的內(nèi)存空間。方法區(qū)在 JVM 啟動時被創(chuàng)建，并且它的實際的物理內(nèi)存空間中和 Java 堆區(qū)一樣都可以是不連續(xù)的。
方法區(qū)的大小：跟堆空間一樣，可以選擇固定大小或者可擴展。
方法區(qū)的大小決定了系統(tǒng)可以保存多少個類，如果系統(tǒng)定義了太多的類，導(dǎo)致方法區(qū)溢出，虛擬機同樣會拋出內(nèi)存溢出的錯誤 ：java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace。

結(jié)語

這次就先寫這些，文中如果存在不對的地方，歡迎各位讀者批評指正。我會在今后更新本地方法接口、執(zhí)行引擎和垃圾回收機制等相關(guān)內(nèi)容，如果大家感興趣，可以關(guān)注博主，我們一起交流學習。

本次的分享到這里就結(jié)束了，碼字不易，如果喜歡，賞個點贊+評論+收藏🤞🤞🤞，感謝您的支持