JVM原理详解

一、视频讲解

1、jdk不同版本就是因为，jdk把class文件转换成不同机器识别的二进制机器码

2、堆（存的是对象）和方法区（存的class、静态变量、常量）是与线程无关的，线程共享

栈（线程）、本地方法栈、程序计数器，是线程私有的，线程终止就消失。

二、文章详解

1、HelloWorld.java 文件首先需要经过编译器编译，生成 HelloWorld.class 字节码文件。

Java 程序中访问HelloWorld这个类时，需要通过 ClassLoader(类加载器)将HelloWorld.class 加载到 JVM 的内存中。

JVM 中的内存可以划分为若干个不同的数据区域，主要分为：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区。

2、“程序计数器（Program Counter Register）”是虚拟机中一块较小的内存空间，主要用于记录当前线程执行的位置。

在 Java 虚拟机规范中，对程序计数器这一区域没有规定任何 OutOfMemoryError 情况（或许是感觉没有必要吧）。

线程私有的，每条线程内部都有一个私有程序计数器。它的生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡。

当一个线程正在执行一个 Java 方法的时候，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址。如果正在执行的是 Native 方法，这个计数器值则为空（Undefined）。

3、虚拟机栈

StackOverflowError：当线程请求栈深度超出虚拟机栈所允许的深度时抛出。

OutOfMemoryError：当 Java 虚拟机动态扩展到无法申请足够内存时抛出。

一个线程包含多个栈帧，而每个栈帧内部包含局部变量表、操作数栈、动态连接、返回地址等。

局部变量表

局部变量表是变量值的存储空间，我们调用方法时传递的参数，以及在方法内部创建的局部变量都保存在局部变量表中。

操作数栈

操作数栈（Operand Stack）也常称为操作栈，它是一个后入先出栈（LIFO）。

动态链接

动态链接的主要目的是为了支持方法调用过程中的动态连接（Dynamic Linking）。

在一个 class 文件中，一个方法要调用其他方法，需要将这些方法的符号引用转化为其所在内存地址中的直接引用，而符号引用存在于方法区中。

返回地址

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法：

正常退出：指方法中的代码正常完成，或者遇到任意一个方法返回的字节码指令（如return）并退出，没有抛出任何异常。

异常退出：指方法执行过程中遇到异常，并且这个异常在方法体内部没有得到处理，导致方法退出。

无论当前方法采用何种方式退出，在方法退出后都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行。而虚拟机栈中的“返回地址”就是用来帮助当前方法恢复它的上层方法执行状态。

本地方法栈

本地方法栈和上面介绍的虚拟栈基本相同，只不过是针对本地（native）方法。在开发中如果涉及 JNI 可能接触本地方法栈多一些，在有些虚拟机的实现中已经将两个合二为一了（比如HotSpot）。

堆

Java 堆（Heap）是 JVM 所管理的内存中最大的一块，该区域唯一目的就是存放对象实例，几乎所有对象的实例都在堆里面分配，因此它也是 Java 垃圾收集器（GC）管理的主要区域，有时候也叫作“GC 堆”（关于堆的 GC 回收机制将会在后续课时中做详细介绍）。同时它也是所有线程共享的内存区域，因此被分配在此区域的对象如果被多个线程访问的话，需要考虑线程安全问题。

按照对象存储时间的不同，堆中的内存可以划分为新生代（Young）和老年代（Old），其中新生代又被划分为Eden 和 Survivor 区。

方法区

方法区（Method Area）也是 JVM 规范里规定的一块运行时数据区。方法区主要是存储已经被 JVM 加载的类信息（版本、字段、方法、接口）、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码和数据。该区域同堆一样，也是被各个线程共享的内存区域。

总结来说，JVM 的运行时内存结构中一共有两个“栈”和一个“堆”，分别是：Java 虚拟机栈和本地方法栈，以及“GC堆”和方法区。除此之外还有一个程序计数器，但是我们开发者几乎不会用到这一部分，所以并不是重点学习内容。JVM 内存中只有堆和方法区是线程共享的数据区域，其它区域都是线程私有的。并且程序计数器是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

3、GC 回收机制与分代回收策略

其中程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈 3 个区域随线程而生，随线程而灭；栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈操作，这几个区域内不需要过多考虑回收的问题。

而堆和方法区则不一样，一个接口中的多个实现类需要的内存可能不一样，一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样，我们只有在程序处于运行期间时才能知道会创建哪些对象，这部分内存的分配和回收都是动态的，垃圾收集器所关注的就是这部分内存。

可达性分析

GC Root 对象

在 Java 中，有以下几种对象可以作为 GC Root：

Java 虚拟机栈（局部变量表）中的引用的对象。

方法区中静态引用指向的对象。

仍处于存活状态中的线程对象。

Native 方法中 JNI 引用的对象。

Allocation Failure：在堆内存中分配时，如果因为可用剩余空间不足导致对象内存分配失败，这时系统会触发一次 GC。

System.gc()：在应用层，Java 开发工程师可以主动调用此 API 来请求一次 GC。

如何回收垃圾

1、标记清除算法（Mark and Sweep GC）

2、标记-压缩算法 (Mark-Compact)

第03讲：字节码层面分析 class 类文件结构

1、class 的来龙去脉

Java 能够实现"一次编译，到处运行”，这其中 class 文件要占大部分功劳。为了让 Java 语言具有良好的跨平台能力，Java 独具匠心的提供了一种可以在所有平台上都能使用的一种中间代码——字节码类文件（.class文件）。有了字节码，无论是哪种平台（如：Mac、Windows、Linux 等），只要安装了虚拟机都可以直接运行字节码。

并且，有了字节码，也解除了 Java 虚拟机和 Java 语言之间的耦合。

2、上帝视角看 class 文件

如果从纵观的角度来看 class 文件，class 文件里只有两种数据结构：无符号数和表。

无符号数：属于基本的数据类型，以 u1、u2、u4、u8 来分别代表 1 个字节、2 个字4个字节和 8 个字节的无符号数，无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或者字符串（UTF-8 编码）。

表：表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型，class文件中所有的表都以“_info”结尾。其实，整个 Class 文件本质上就是一张表。

3、class 文件结构

刚才我们说在 class 文件中只存在无符号数和表这两种数据结构。而这些无符号数和表就组成了 class 中的各个结构。这些结构按照预先规定好的顺序紧密的从前向后排列，相邻的项之间没有任何间隙。如下图所示：

常量池（重点）

紧跟在版本号之后的是一个叫作常量池的表（cp_info）。在常量池中保存了类的各种相关信息，比如类的名称、父类的名称、类中的方法名、参数名称、参数类型等，这些信息都是以各种表的形式保存在常量池中的。

常量池中的每一项都是一个表，其项目类型共有 14 种，

java代码中声明的String字符串最终在class文件中的存储格式就 CONSTANT_utf8_info。因此一个字符串最大长度也就是u2所能代表的最大值65536个，但是需要使用2个字节来保存 null 值，因此一个字符串的最大长度为 65536 - 2 = 65534。参考 Java String最大长度分析。

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