Java虚拟机

                                                           Java虚拟机

1.java虚拟机:

          Java虚拟机(JVM)是Java Virtual Machine的缩写,它是一个虚构出来的计算机,是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能模拟来实现的。

2.java虚拟机内存区域的划分（参考http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3613043.html）

          学过C语言的朋友都知道C编译器在划分内存区域的时候经常将管理的区域划分为数据段和代码段，数据段包括堆、栈以及静态数据区。那么在Java语言当中，内存又是如何划分的呢？

　　  由于Java程序是交由JVM执行的，所以我们在谈Java内存区域划分的时候事实上是指JVM内存区域划分。在讨论JVM内存区域划分之前，先来看一下Java程序具体执行的过程：

 

         如上图所示，首先Java源代码文件(.java后缀)会被Java编译器编译为字节码文件(.class后缀)，然后由JVM中的类加载器加载各 个类的字节码文件，加载完毕之后，交由JVM执行引擎执行。在整个程序执行过程中，JVM会用一段空间来存储程序执行期间需要用到的数据和相关信息，这段 空间一般被称作为Runtime Data Area（运行时数据区），也就是我们常说的JVM内存。因此，在Java中我们常常说到的内存管理就是针对这段空间进行管理（如何分配和回收内存空 间）。

　　在知道了JVM内存是什么东西之后，下面我们就来讨论一下这段空间具体是如何划分区域的，是不是也像C语言中一样也存在栈和堆呢？

 

 

 

 

2.1.程序计数器

　　  程序计数器（Program Counter Register），也有称作为PC寄存器。想必学过汇编语言的朋友对程序计数器这个概念并不陌生，在汇编语言中，程序计数器是指CPU中的寄存器，它保存的是程序当前执行的指令的地址（也可以说保存下一条指令的所在存储单元的地址），当CPU需要执行指令时，需要从程序计数器中得到当前需要执行的指令所 在存储单元的地址，然后根据得到的地址获取到指令，在得到指令之后，程序计数器便自动加1或者根据转移指针得到下一条指令的地址，如此循环，直至执行完所 有的指令。

　　虽然JVM中的程序计数器并不像汇编语言中的程序计数器一样是物理概念上的CPU寄存器，但是JVM中的程序计数器的功能跟汇编语言中的程序计数器的功能在逻辑上是等同的，也就是说是用来指示 执行哪条指令的。

　　由于在JVM中，多线程是通过线程轮流切换来获得CPU执行时间的，因此，在任一具体时 刻，一个CPU的内核只会执行一条线程中的指令，因此，为了能够使得每个线程都在线程切换后能够恢复在切换之前的程序执行位置，每个线程都需要有自己独立 的程序计数器，并且不能互相被干扰，否则就会影响到程序的正常执行次序。因此，可以这么说，程序计数器是每个线程所私有的。

　　在JVM规范中规定，如果线程执行的是非native方法，则程序计数器中保存的是当前需要执行的指令的地址；如果线程执行的是native方法，则程序计数器中的值是undefined。

　　由于程序计数器中存储的数据所占空间的大小不会随程序的执行而发生改变，因此，对于程序计数器是不会发生内存溢出现象(OutOfMemory)的。

 

2.2.Java虚拟机栈

　　 Java虚拟机栈（Java Vitual Machine Stack），也就是我们常常所说的栈，跟C语言的数据段中的栈类似。事实上，Java栈是Java方法执行的内存模型。为什么这么说呢？下面就来解释一下其中的原因。

　 　Java栈中存放的是一个个的栈帧，每个栈帧对应一个被调用的方法，在栈帧中包括局部变量表(Local Variables)、操作数栈(Operand Stack)、指向当前方法所属的类的运行时常量池（运行时常量池的概念在方法区部分会谈到）的引用(Reference to runtime constant pool)、方法返回地址(Return Address)和一些额外的附加信息。当线程执行一个方法时，就会随之创建一个对应的栈帧，并将建立的栈帧压栈。当方法执行完毕之后，便会将栈帧出栈。 因此可知，线程当前执行的方法所对应的栈帧必定位于Java栈的顶部。讲到这里，大家就应该会明白为什么 在 使用 递归方法的时候容易导致栈内存溢出的现象了以及为什么栈区的空间不用程序员去管理了（当然在Java中，程序员基本不用关系到内存分配和释放的事情，因为 Java有自己的垃圾回收机制），这部分空间的分配和释放都是由系统自动实施的。对于所有的程序设计语言来说，栈这部分空间对程序员来说是不透明的。下图 表示了一个Java栈的模型：

 

 　     局部变量表，顾名思义，想必不用解释大家应该明白它的作用了吧。就是用来存储方法中的局部变量（包括在方法中声明的非静态变量以及函数形参）。对于基本数据类型的变量，则直接存储它的值，对于引用类型的变量，则存的是指向对象的引用。局部变量表的大小在编译器就可以确定其大小了，因此在程序执行期间局部变量表的大小是不会改变的。

　 　操作数栈，想必学过数据结构中的栈的朋友想必对表达式求值问题不会陌生，栈最典型的一个应用就是用来对表达式求值。想想一个线程执行方法的过程中，实际 上就是不断执行语句的过程，而归根到底就是进行计算的过程。因此可以这么说，程序中的所有计算过程都是在借助于操作数栈来完成的。

　　指向运行时常量池的引用，因为在方法执行的过程中有可能需要用到类中的常量，所以必须要有一个引用指向运行时常量。

　　方法返回地址，当一个方法执行完毕之后，要返回之前调用它的地方，因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址。

　　由于每个线程正在执行的方法可能不同，因此每个线程都会有一个自己的Java栈，互不干扰。

 

     在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常 状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverfloowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemorryError异常。

 

2.3.本地方法栈

　　本地方法栈与Java栈的作用和原理非常相似。区别只不过是Java栈是为执行Java方法服务的，而本地方法栈则是为执行本地方法（Native Method）服务的。所谓Native方 法，就是本地方法，即是指那些被Java调用的非Java语言编写的方法，比如Java调用了一个C语言写的方法，这个C语言方法就是个Native方 法。

在JVM规范中，并没有对本地方发展的具体实现方法以及数据结构作强制规定，虚拟机可以自由实现它。在HotSopt虚拟机中直接就把本地方法栈和Java栈合二为一。

 

2.4.堆

　 在C语言中，堆这部分空间是唯一一个程序员可以管理的内存区域。程序员可以通过malloc函数和free函数在堆上申请和释放空间。那么在Java中是怎么样的呢？

     对于大多数应用来说，Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。我们常说的“堆”内存也是指这一块。Java堆是所有线程共享的一块的内存，因此当编写多线程程序时，一定要注意线程的安全，主要关注这块的内存的读写同步与互斥。我们都知道，Java中的堆是用来存储对象本身的以及数组（当然，数组引用是存放在Java栈中 的）。只不过和C语言中的不同，在Java中，程序员基本不用去关心空间释放的问题，Java的垃圾回收机制会自动进行处理。几乎所有的对象都会分配在堆内存上，因此Java堆是垃圾回收管理的主要区域。

       从内存回收的角度，由于现在垃圾回收基本都采用分代收集算法，所以Java堆还可以再细分为：新生代和老年代；再细致一点：Eden区、From Survivor区、To Survivor区等。关于内存回收，这是Java内存管理的重点和难点！

 

2.5.方法区

　　方法区在JVM中也是一个非常重要的区域，它与堆一样，是被线程共享的区域。在方法区中，存储了每个类的信息（包括类的名称、方法信息、字段信息）、静态变量、常量、以及编译器编译后的代码等。

　　在Class文件中除了类的字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用来存储编译期间生成的字面量和符号引用。

　　在方法区中有一个非常重 要的部分就是运行时常量池，它是每一个类或接口的常量池的运行时表示形式，在类和接口被加载到JVM后，对应的运行时常量池就被创建出来。当然并非 Class文件常量池中的内容才能进入运行时常量池，在运行期间也可将新的常量放入运行时常量池中，比如String的intern方法。

　　在JVM规范中，没有强制要求方法区必须实现垃圾回收。很多人习惯将方法区称为“永久代”，是因为HotSpot虚拟机以永久代来实现方法区，从而JVM的垃圾收集器可以像管理堆区一样管理这部分区域，从而不需要专门为这部分设计垃圾回收机制。不过自从JDK7之后，Hotspot虚拟机便将运行时常量池从永久代移除了。     

      大多数程序员遇到过这样的错误：PermGen OutofMemorryError，特别是在用Eclipse等编译器热部署Web程序时，当程序中用到了许多类似Spring这样预加载许多类信息、 方法信息的框架时，经常出现这样错误，主要原因就是方法区的内存不够用了！Oracle Java8发布后，将这个区域移动到了本地内存，取名为Metaspace，理论上，不会再出现PermGen OutOfMemorryError，因为本地内存对于普通程序来说，绝对够大了，关于Metaspace，之前有过一些简单分析：Java8新特性。

运行时常量池：

         运行时常量池是方法区的一部分，为什么要单独提出来呢？因为这部分太常用了，但是很多人不知道常量池的作用。如果清楚常量池，那么我们的程序会节省出很多内存。。常量池保存了该类型的所有常量，包括直接常量如字符串、整数、浮点数的常量和其他类型，字段，方法的符号引用以及编译期生成的各种字面量和符号引用

ps:Java中变量分为静态变量，实例变量，临时变量。那么各种变量具体保存在JVM中的何处呢？

1 静态变量：位于方法区。

2 实例变量：作为对象的一部分，保存在堆中。

3 临时变量：保存于栈中，栈随线程的创建而被分配。

注：常量：位于常量池，而常量池位于方法区，若JVM采用的是分代垃圾回收，则方法区就是Perm区（永久存储区）。

3.Java虚拟机的作用：（参考http://www.cnblogs.com/o-andy-o/archive/2012/04/11/2442109.html）

        在Java中引入了虚拟机的概念，即在机器和编译程序之间加入了一层抽象的虚拟的机器。这台虚拟的机器在任何平台上都提供给编译程序一个的共同的接口。编译程序只需要面向虚拟机，生成虚拟机能够理解的代码，然后由解释器来将虚拟机代码转换为特定系统的机器码执行。在Java中，这种供虚拟机理解的代码叫做字节码(ByteCode)（class文件的内容），它不面向任何特定的处理器，只面向虚拟机。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。Java源程序经过编译器编译后变成字节码，字节码由虚拟机解释执行，虚拟机将每一条要执行的字节码送给解释器，解释器将其翻译成特定机器上的机器码，然后在特定的机器上运行。

 

跨平台：

话说，在北京，一般都是讲北京话的，上海，一般都是将上海话，广东，广东话...
现有一公文发出，要全国执行，该当如何？——先统一翻译成普通话。各地在将普通话版本翻译成当地的方言。

这里，北京、上海就是不同类型的机器windows，linux...
编译(javac)就是将公文翻译成普通话的过程，而编译出的.class文件，就是公文的普通话版本。
在执行的时候，各地的翻译就是jvm，负责将.class转换成本地能够理解的方言来执行。

.java———编译器编译———>.class（二进制文件）———虚拟机运行（翻译）———>机器码（适合该操作系统）

 

4.虚拟机的生命周期:         

        一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序。程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止。你在同一台机器上运行三个程序，就会有三个运行中的Java虚拟机。Java虚拟机总是开始于一个main()方法，这个方法必须是公有、返回void、直接受一个字符串数组。在程序执行时，你必须给Java虚拟机指明这个包含main()方法的类名。
         Main()方法是程序的起点，他被执行的线程初始化为程序的初始线程（主线程）。程序中其他的线程都由他来启动。Java中的线程分为两种：守护线程 （daemon）和普通线程（non-daemon）。守护线程是Java虚拟机自己使用的线程，比如负责垃圾收集的线程就是一个守护线程。当然，你也可 以把自己的程序设置为守护线程。包含Main()方法的初始线程不是守护线程。
        只要Java虚拟机中还有普通的线程在执行，Java虚拟机就不会停止。如果有足够的权限，你可以调用exit()方法终止程序。

5.类在虚拟机上的生命周期：

5.1装载

描叙：Java虚拟机装载指定的CLASS文件。  类需要通过类装载器进行装载，有两种类装载器：启动类装载器和自定义类装载器。启动类装载器是Java虚拟机的一部分，而自定义类装载器是用户自己定义的java.lang.ClassLoader的子类。每个类装载器都有一个命名空间，用来管理自己装载的类。不同的类装载器之间不会相互干扰，从而有助 于安全的实现。

 

结果：形成这个CLASS类的实例对象。

 

过程：java虚拟机使用类装载器定位到相应的CLASS文件，然后读取这个CLASS文件（一个线性二进制数据流），将它传入java虚拟机中。紧接着虚拟机提取其中的类信息。比如：该类的类名，方法名，变量名，修饰符，方法的返回类型等等。方法区中还有一个重要的东西就是常量池（常量池保存了该类型的所有常量，包括直接常量和其他类型，字段，方法的符号引用）。将这些信息保存在一个叫做方法区的地方。），这个实例存放在内存的堆区。它成为了java程序与内部数据结构之间的接口，程序要访问该类型的信息，程序就调用该类型对应的CLASS实例对象的方法。简而言之：这个过程就是把一个类型(类型就是类，我们把类也看作一种数据类型就叫类型)的二进制数据解析为方法区中的内部数据结构，并在堆上建立一个CLASS对象的过程。

 

示例：装载Main类

Java虚拟机读取Main类的CLASS文件，生产对应的java.lang.Class类的实例，读取其中的类型信息，比如修饰符 private，public，static，另外变量 size，name，pwd，User（User即为一个引用）共同构成了这个类的常量池。将这些信息保存在方法区。

 

5.2链接

描述：验证，准备，解析（可选）

结果：将方法区中的类型数据转化为虚拟机运行时的状态，即将这些类型数据关联起来（ 装载阶段只是将类型的信息读入到虚拟机中，但是这些类型数据之间都是独立的，还不能真正被使用），并为它们准备运行时所需要的资源。最终就可以进行初始化了。

过程：

1)验证：确定类型符合java语言的语义，比如：final类不能有子类，final方法不能被覆盖，确保在类型和超类型之间没有不兼容的方法声明（比如两个方法拥有同样的名字，参数完全相同，但返回类型不同）。

2)准备：java虚拟机为类变量分配内存，设置默认值

3)解析：在类型的常量池中寻找类，接口，字段和方法的符合引用把这些符号引用替换成直接引用的过程。

示例： 连接Main类

Java虚拟机为size分配内存，并赋默认值0.找到常量池中User类的引用，如果User类还没有被装载，则装载并且连接该类，然后将常量池中对User类的引用替换为直接引用。在此时User类并不会被初始化，因为还没有用它。

5.3初始化

描述：  如果类被首次主动使用，就需要对该类进行初始化，即为类变量赋予正确的初始值

结果：这个类可以使用了

过程：类变量的初始化通过初始化语句或者静态初始化程序块，编译器会将它们收集起来，并放到<clinit>方法中（这个方法只能够由java虚拟机调用），来初始化该类的静态变量。在调用这个方法前，必须确认该类的超类的 <clinit>() 方法已经被调用。但 并非所有的类都会拥<clinit>() 方法，在以下条件中该类不会拥有 <clinit>() 方法   ：

该类既没有声明任何类变量，也没有静态初始化语句；

该类声明了类变量，但没有明确使用类变量初始化语句或静态初始化语句初始化；

该类仅包含静态 final 变量的类变量初始化语句，并且类变量初始化语句是编译时常量表达式。

          

示例：初始化Main类

Java虚拟机将Main类的静态变量赋值为1.

 

5.4.使用（执行该类代码了）

     类的使用分为主动使用和被动使用两类。

     被认为是主动使用的6种情况：

    1. 通过new关键字创建类的实例化对象  

     2.调用类的静态方法   

     3.操作类中静态变量  

     4.调用Java API中特定的反射方法   

     5.初始化一个类的子类  

     6.Java虚拟机的启动类，即拥有main方法且是启动方法的类

  除了上面6种情况以外的使用，都是被动使用，例如：             

     1.引用父类的静态字段，只会引起父类的初始化，而不会引起子类的初始化   

      2.定义类数组 

      3.使用类的常量

 注意：只有主动使用才会触发类的初始化，而被动使用不会触发类进行初始化。

示例：使用Main类

1.User u = new User();（存放在内存的堆区）

创建了一个User类实例，实际上是通过这个类的CLASS实例实例化的。方法如下：

User u=(User)Class.forName("User").newInstance();

为了方便，用C代替Class.forName("User")

2.u.setName("李文水"); u.setPwd("159");

调用该类的方法，为该类的变量赋值，Java虚拟机内部调用是这样的，通过方法区找到该方法，利用CLASS实例的如下方法调用：

c.getMethod("setName").invoke(u,"李文水");

3.String name = u.getName()； String pwd = u.getPwd();

与第二步类似，不同的是将取得的值分别赋给了变量name和pwd。关键是这个值保存在哪里？和实例对象一样，存放在堆区。这个时候我应该可以看出CLASS实例的作用了，它就是起个中间作用，将程序中的调用反应到堆区上数据的变化。

 

4.u = null;

最后写出来的目的是了解一下Java虚拟机垃圾回收机制。（没有什么实际意义）

Java虚拟机内部会根据一种规则(这个对象是否可以触及)来判断这个实例是否可以回收了？具体形式如下：

当执行 u = null;时这条线就被斩断了，因此User实例就不可以触及了，所以java虚拟机就可以回收这个User实例了

 

 

5.5.卸载

   被装载的类型会在方法区中占据内存空间。如果程序不再引用某类型，该类型就会变成不可触及，可以被卸载。

    判断类型的Class实例是可触及的两种方式：

    1.程序保持对该Class实例的明确引用

    2.堆中可触及的对象在方法区中对应的类型数据或超类型指向该Class实例

  注意：启动类装载器装载的类型永远是可以触及的，所以永远不会被卸载。只有使用自定义类装载器装载的类型才会变成不可触及，从而被虚拟机卸载。