深入JVM

1 JVM简介

JVM是我们Javaer的最基本功底了，刚开始学Java的时候，一般都是从“Hello World”开始的，然后会写个复杂点class，然后再找一些开源框架，比如Spring，Hibernate等等，再然后就开发企业级的应用，比如网站、企业内部应用、实时交易系统等等，直到某一天突然发现做的系统咋就这么慢呢，而且时不时还来个内存溢出什么的，今天是交易系统报了StackOverflowError，明天是网站系统报了个OutOfMemoryError，这种错误又很难重现，只有分析Javacore和dump文件，运气好点还能分析出个结果，运行遭的点，就直接去庙里烧香吧！每天接客户的电话都是战战兢兢的，生怕再出什么幺蛾子了。我想Java做的久一点的都有这样的经历，那这些问题的最终根结是在哪呢？—— JVM。
JVM全称是Java Virtual Machine，Java虚拟机，也就是在计算机上再虚拟一个计算机，这和我们使用 VMWare不一样，那个虚拟的东西你是可以看到的，这个JVM你是看不到的，它存在内存中。我们知道计算机的基本构成是：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备，那这个JVM也是有这成套的元素，运算器是当然是交给硬件CPU还处理了，只是为了适应“一次编译，随处运行”的情况，需要做一个翻译动作，于是就用了JVM自己的命令集，这与汇编的命令集有点类似，每一种汇编命令集针对一个系列的CPU，比如8086系列的汇编也是可以用在8088上的，但是就不能跑在8051上，而JVM的命令集则是可以到处运行的，因为JVM做了翻译，根据不同的CPU，翻译成不同的机器语言。
JVM中我们最需要深入理解的就是它的存储部分，存储？硬盘？NO，NO， JVM是一个内存中的虚拟机，那它的存储就是内存了，我们写的所有类、常量、变量、方法都在内存中，这决定着我们程序运行的是否健壮、是否高效，接下来的部分就是重点介绍之。
2 JVM的组成部分

我们先把JVM这个虚拟机画出来，如下图所示：

从这个图中可以看到，JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。我们再来看下JVM有哪些组成部分，如下图所示：

该图参考了网上广为流传的JVM构成图，大家看这个图，整个JVM分为四部分：
q Class Loader 类加载器
类加载器的作用是加载类文件到内存，比如编写一个HelloWord.java程序，然后通过javac编译成class文件，那怎么才能加载到内存中被执行呢？Class Loader承担的就是这个责任，那不可能随便建立一个.class文件就能被加载的，Class Loader加载的class文件是有格式要求，在《JVM Specification》中式这样定义Class文件的结构：
ClassFile {
u4 magic;
u2 minor_version;
u2 major_version;
u2 constant_pool_count;
cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
u2 access_flags;
u2 this_class;
u2 super_class;
u2 interfaces_count;
u2 interfaces[interfaces_count];
u2 fields_count;
field_info fields[fields_count];
u2 methods_count;
method_info methods[methods_count];
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}
需要详细了解的话，可以仔细阅读《JVM Specification》的第四章“The class File Format”，这里不再详细说明。
友情提示：Class Loader只管加载，只要符合文件结构就加载，至于说能不能运行，则不是它负责的，那是由Execution Engine负责的。
q Execution Engine 执行引擎
执行引擎也叫做解释器(Interpreter)，负责解释命令，提交操作系统执行。
q 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诞生的时候是C/C++横行的时候，要想立足，必须有一个聪明的、睿智的调用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，它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载native libraies。目前该方法使用的是越来越少了，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等等，不多做介绍。
q Runtime data area运行数据区
运行数据区是整个JVM的重点。我们所有写的程序都被加载到这里，之后才开始运行，Java生态系统如此的繁荣，得益于该区域的优良自治，下一章节详细介绍之。

整个JVM框架由加载器加载文件，然后执行器在内存中处理数据，需要与异构系统交互是可以通过本地接口进行，瞧，一个完整的系统诞生了！
2 JVM的内存管理

所有的数据和程序都是在运行数据区存放，它包括以下几部分：
q Stack 栈
栈也叫栈内存，是Java程序的运行区，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。问题出来了：栈中存的是那些数据呢？又什么是格式呢？
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(Method)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，执行完毕后，先弹出F2栈帧，再弹出F1栈帧，遵循“先进后出”原则。
那栈帧中到底存在着什么数据呢？栈帧中主要保存3类数据：本地变量（Local Variables），包括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。光说比较枯燥，我们画个图来理解一下Java栈，如下图所示：

图示在一个栈中有两个栈帧，栈帧2是最先被调用的方法，先入栈，然后方法2又调用了方法1，栈帧1处于栈顶的位置，栈帧2处于栈底，执行完毕后，依次弹出栈帧1和栈帧2，线程结束，栈释放。
q Heap 堆内存
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：
Permanent Space 永久存储区
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。
Young Generation Space 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区进行垃圾回收，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？再移动到养老区。
Tenure generation space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。 三个区的示意图如下：

q Method Area 方法区
方法区是被所有线程共享，该区域保存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。
q PC Register 程序计数器
每个线程都有一个程序计数器，就是一个指针，指向方法区中的方法字节码，由执行引擎读取下一条指令。
q Native Method Stack 本地方法栈



3 JVM相关问题

问：堆和栈有什么区别
答：堆是存放对象的，但是对象内的临时变量是存在栈内存中，如例子中的methodVar是在运行期存放到栈中的。
栈是跟随线程的，有线程就有栈，堆是跟随JVM的，有JVM就有堆内存。

问：堆内存中到底存在着什么东西？
答：对象，包括对象变量以及对象方法。

问：类变量和实例变量有什么区别？
答：静态变量是类变量，非静态变量是实例变量，直白的说，有static修饰的变量是静态变量，没有static修饰的变量是实例变量。静态变量存在方法区中，实例变量存在堆内存中。

问：我听说类变量是在JVM启动时就初始化好的，和你这说的不同呀！
答：那你是道听途说，信我的，没错。

问：Java的方法（函数）到底是传值还是传址？
答：都不是，是以传值的方式传递地址，具体的说原生数据类型传递的值，引用类型传递的地址。对于原始数据类型，JVM的处理方法是从Method Area或Heap中拷贝到Stack，然后运行frame中的方法，运行完毕后再把变量指拷贝回去。

问：为什么会产生OutOfMemory产生？
答：一句话：Heap内存中没有足够的可用内存了。这句话要好好理解，不是说Heap没有内存了，是说新申请内存的对象大于Heap空闲内存，比如现在Heap还空闲1M，但是新申请的内存需要1.1M，于是就会报OutOfMemory了，可能以后的对象申请的内存都只要0.9M，于是就只出现一次OutOfMemory，GC也正常了，看起来像偶发事件，就是这么回事。但如果此时GC没有回收就会产生挂起情况，系统不响应了。

问：我产生的对象不多呀，为什么还会产生OutOfMemory？
答：你继承层次忒多了，Heap中 产生的对象是先产生 父类，然后才产生子类，明白不？

问：OutOfMemory错误分几种？
答：分两种，分别是“OutOfMemoryError:java heap size”和”OutOfMemoryError: PermGen space”，两种都是内存溢出，heap size是说申请不到新的内存了，这个很常见，检查应用或调整堆内存大小。
“PermGen space”是因为永久存储区满了，这个也很常见，一般在热发布的环境中出现，是因为每次发布应用系统都不重启，久而久之永久存储区中的死对象太多导致新对象无法申请内存，一般重新启动一下即可。

问：为什么会产生StackOverflowError？
答：因为一个线程把Stack内存全部耗尽了，一般是递归函数造成的。

问：一个机器上可以看多个JVM吗？JVM之间可以互访吗？
答：可以多个JVM，只要机器承受得了。JVM之间是不可以互访，你不能在A-JVM中访问B-JVM的Heap内存，这是不可能的。在以前老版本的JVM中，会出现A-JVM Crack后影响到B-JVM，现在版本非常少见。

问：为什么Java要采用垃圾回收机制，而不采用C/C++的显式内存管理？
答：为了简单，内存管理不是每个程序员都能折腾好的。

问：为什么你没有详细介绍垃圾回收机制？
答：垃圾回收机制每个JVM都不同，JVM Specification只是定义了要自动释放内存，也就是说它只定义了垃圾回收的抽象方法，具体怎么实现各个厂商都不同，算法各异，这东西实在没必要深入。

问：JVM中到底哪些区域是共享的？哪些是私有的？
答：Heap和Method Area是共享的，其他都是私有的，

问：什么是JIT，你怎么没说？
答：JIT是指Just In Time，有的文档把JIT作为JVM的一个部件来介绍，有的是作为执行引擎的一部分来介绍，这都能理解。Java刚诞生的时候是一个解释性语言，别嘘，即使编译成了字节码（byte code）也是针对JVM的，它需要再次翻译成原生代码(native code)才能被机器执行，于是效率的担忧就提出来了。Sun为了解决该问题提出了一套新的机制，好，你想编译成原生代码，没问题，我在JVM上提供一个工具，把字节码编译成原生码，下次你来访问的时候直接访问原生码就成了，于是JIT就诞生了，就这么回事。

问：JVM还有哪些部分是你没有提到的？
答：JVM是一个异常复杂的东西，写一本砖头书都不为过，还有几个要说明的：
常量池（constant pool）：按照顺序存放程序中的常量，并且进行索引编号的区域。比如int i =100，这个100就放在常量池中。
安全管理器（Security Manager）：提供Java运行期的安全控制，防止恶意攻击，比如指定读取文件，写入文件权限，网络访问，创建进程等等，Class Loader在Security Manager认证通过后才能加载class文件的。
方法索引表（Methods table），记录的是每个method的地址信息，Stack和Heap中的地址指针其实是指向Methods table地址。

问：为什么不建议在程序中显式的生命System.gc()？
答：因为显式声明是做堆内存全扫描，也就是Full GC，是需要停止所有的活动的（Stop The World Collection），你的应用能承受这个吗？

问：JVM有哪些调整参数？
答：非常多，自己去找，堆内存、栈内存的大小都可以定义，甚至是堆内存的三个部分、新生代的各个比例都能调整。