JVM基础

素颜马尾好姑娘i 2022-11-05 12:49 133阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  一、JVM 概述
 *  二、类加载器 ClassLoader
 *  三、运行时数据区RuntimeDataArea
 *   *  3.1 Native Method Stack
     *  3.2 PC寄存器
     *  3.3 Method Area 方法区
     *  3.4 Stack栈
     *  3.5 Heap堆
     *  3.6 MethodArea方法区
     *  3.7 永久区和元空间
     *  3.8 执行引擎 ExecutionEngine
 *  四、堆参数调优入门

# 一、JVM 概述 #

`JVM`是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。  
![在这里插入图片描述][2021030615303870.png]

# 二、类加载器 ClassLoader #

负责加载`class`文件，`class`文件在文件开头有特定的文件标示，将`class`文件字节码内容加载到内存中，并将这些内容转换成方法区中的运行时数据结构并且`ClassLoader`只负责`class`文件的加载，至于它是否可以运行，则由`Execution Engine`决定。  
![在这里插入图片描述][20210306154026857.png]  
**类加载器的分类：**  
![在这里插入图片描述][20210306154257913.png]

*  虚拟机自带的加载器
 *  启动类加载器（`Bootstrap`）`C++`
 *  扩展类加载器（`Extension`）`Java`
 *  应用程序类加载器（`AppClassLoader`）`Java`也叫系统类加载器，加载当前应用的`classpath`的所有类
 *  用户自定义加载器`Java.lang.ClassLoader`的子类，用户可以定制类的加载方式

**双亲委派机制**

当一个类收到了类加载请求，他首先不会尝试自己去加载这个类，而是把这个请求委派给父类去完成，每一个层次类加载器都是如此，因此所有的加载请求都应该传送到启动类加载其中，只有当父类加载器反馈自己无法完成这个请求的时候（在它的加载路径下没有找到所需加载的`Class`），子类加载器才会尝试自己去加载。

采用双亲委派的一个好处是比如加载位于`rt.jar`包中的类`java.lang.Object`，不管是哪个加载器加载这个类，最终都是委托给顶层的启动类加载器进行加载，这样就保证了使用不同的类加载器最终得到的都是同样一个`Object`对象。

# 三、运行时数据区RuntimeDataArea #

## 3.1 Native Method Stack ##

它的具体做法是`Native Method Stack`中登记`native`方法，在`Execution Engine`执行时加载本地方法库。

## 3.2 PC寄存器 ##

每个线程都有一个程序计数器，是线程私有的，（就是一个指针）指向方法区中的方法字节码（用来存储指向下一条指令的地址，也即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。

这块内存区域很小，它是当前线程所执行的字节码的行号指示器，字节码解释器通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。

如果执行的是一个`Native`方法，那这个计数器是空的。

用以完成分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能。不会发生内存溢出(`OutOfMemory=OOM`)错误

## 3.3 Method Area 方法区 ##

供各线程共享的运行时内存区域。它存储了每一个类的结构信息，例如运行时常量池（`Runtime Constant Pool`）、字段和方法数据、构造函数和普通方法的字节码内容。上面讲的是规范，在不同虚拟机里头实现是不一样的，最典型的就是永久代(`PermGen space`)和元空间(`Metaspace`)。

## 3.4 Stack栈 ##

**① 栈简介**

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。8种基本类型的变量+对象的引用变量+实例方法都是在函数的栈内存中分配。

**② 栈存储数据**

*  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(`Method`)和运行期数据的数据集。

1.  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；
2.  `A`方法又调用了`B`方法，于是产生栈帧`F2`也被压入栈；
3.  `B`方法又调用了`C`方法，于是产生栈帧`F3`也被压入栈；
4.  ……
5.  执行完毕后，先弹出`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。

每个方法执行的同时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，每一个方法从调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。栈的大小和具体`JVM`的实现有关，通常在256`K`~756`K`之间，与等于1`MB`左右。  
![在这里插入图片描述][20210306162247229.png]  
如上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。

每执行一个方法都会产生一个栈帧，保存到栈(后进先出)的顶部，顶部栈就是当前的方法，该方法执行完毕后会自动将此栈帧出栈。

**④ 栈+堆+方法区的交互关系**  
![在这里插入图片描述][20210306162726187.png]

*  `HotSpot`是使用指针的方式来访问对象；
 *  `Java`堆中会存放访问类元数据的地址；
 *  `reference`存储的就直接是对象的地址。

## 3.5 Heap堆 ##

一个`JVM`实例只存在一个堆内存，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，保存所有引用类型的真实信息，以方便执行器执行，堆内存分为三部分：

*  新生区(`Young Generation Space`)
 *  养老区(`Tenure generation Space`)
 *  永久区(`Permanent Space`)

一个`JVM`实例只存在一个堆内存，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，保存所有引用类型的真实信息，以方便执行器执行。

> Java GC参考 https://hucheng.blog.csdn.net/article/details/114583508

## 3.6 MethodArea方法区 ##

方法区（`Method Area`）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(相当于是一个接口`interface`)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。  
![在这里插入图片描述][202103071752131.png]

## 3.7 永久区和元空间 ##

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。

在`Java8`中，永久代已经被移除，被一个称为元空间的区域所取代。元空间的本质和永久代类似。

元空间与永久代之间最大的区别在于：永久带使用的`JVM`的堆内存，但是`java8`以后的元空间并不在虚拟机中而是使用本机物理内存。

因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。类的元数据放入`native memory`，字符串池和类的静态变量放入`java`堆中，这样可以加载多少类的元数据就不再由`MaxPermSize`控制，而由系统的实际可用空间来控制。

## 3.8 执行引擎 ExecutionEngine ##

**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。

# 四、堆参数调优入门 #

![在这里插入图片描述][20210308185839301.png]  
常用`VM`参数：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>参数</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>-Xms</td> 
   <td>设置初始分配大小，默认为默认内存的"1/64"</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>-Xmx</td> 
   <td>最大分配内存，默认为物理内存的"1/4"</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>-Xmn</td> 
   <td>设置young区内存大小</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>-XX:+PrintGCDetails</td> 
   <td>输出详细的GC处理日志</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

例：`VM`参数：`-Xms1024m -Xmx1024m -XX:+PrintGCDetails`；  
通常`Xms`和`Xmx`设置大小一样，防止内存波动。

[2021030615303870.png]: /images/20221023/bac1be5d46b047a1bbe24ec5fc64042e.png
[20210306154026857.png]: /images/20221023/74a14d6530824025954880c4efb450e4.png
[20210306154257913.png]: /images/20221023/7e1007da1b6f4aef9d7ad866f04cb553.png
[20210306162247229.png]: /images/20221023/c59c7801ebfe4ee6bd1b728ffe25629e.png
[20210306162726187.png]: /images/20221023/8b70aef4b36f40b5913009b07f45f91b.png
[202103071752131.png]: /images/20221023/86a27446a1e64bbeab570e3c4ea6c526.png
[20210308185839301.png]: /images/20221023/bd57415bc72e4dd68d7ad47102573b5a.png