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Java技术体系模块图

全文纯理论，比较枯燥，先上张图感受下Java的强大：

什么是JVM？

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，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来实现的。Java虚拟机包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。 JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。JVM在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性，而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行，至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。这就是Java能够“一次编译，到处运行”的原因。

JRE/JDK/JVM是什么关系？

JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java运行环境)，也就是Java平台。所有的Java 程序都要在JRE下才能运行。普通用户只需要运行已开发好的java程序，安装JRE即可。

JDK(Java Development Kit)是程序开发者用来编译、调试java程序用的开发工具包。JDK的工具也是Java程序，也需要JRE才能运行。为了保持JDK的独立性和完整性，在JDK的安装过程中，JRE也是安装的一部分。所以，在JDK的安装目录下有一个名为jre的目录，用于存放JRE文件。

JVM(JavaVirtualMachine，Java虚拟机)是JRE的一部分。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来实现的。JVM有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。Java语言最重要的特点就是跨平台运行。使用JVM就是为了支持与操作系统无关，实现跨平台。

JVM原理

JVM是java的核心和基础，在java编译器和os平台之间的虚拟处理器。它是一种利用软件方法实现的抽象的计算机基于下层的操作系统和硬件平台，可以在上面执行java的字节码程序。

java编译器只要面向JVM，生成JVM能理解的代码或字节码文件。Java源文件经编译成字节码程序，通过JVM将每一条指令翻译成不同平台机器码，通过特定平台运行。

JVM执行程序的过程

加载.class文件

管理并分配内存

执行垃圾收集

JRE（java运行时环境）是由JVM构造的Java程序运行的环境，也是操作系统的一个应用程序的一个进程，因此他也有他自己的运行的生命周期，也有自己的代码和数据空间。JVM在整个jdk中处于最底层，负责于操作系统的交互，用来屏蔽操作系统环境，提供一个完整的Java运行环境，因此也是虚拟计算机。

JVM工作原理

windows操作系统装入JVM是通过jdk中Java.exe来完成,通过下面4步来完成JVM环境。

创建JVM装载环境和配置

装载JVM.dll

初始化JVM.dll并挂接到JNIENV(JNI调用接口)实例

调用JNIEnv实例装载并处理class类

JVM装入环境

首先查找jre路径

然后装载JVM.cfg文件：JRE路径+\lib+\ARCH（CPU构架）+\JVM.cfgARCH（CPU构架）

最后获得JVM.dll的路径：JRE路径+\bin+\JVM类型字符串+\JVM.dll就是JVM的文件路径了，但是如果在调用Java程序时用-XXaltJVM=参数指定的路径path,就直接用path+\JVM.dll文件做为JVM.dll的文件路径。

装载JVM.dll

通过第一步已经找到了JVM的路径，Java通过LoadJavaVM来装入JVM.dll文件。装入工作很简单就是调用Windows API函数。

LoadLibrary装载JVM.dll动态连接库，然后把JVM.dll中的导出函数JNI_CreateJavaVM和JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs挂接到InvocationFunctions变量的CreateJavaVM和GetDefaultJavaVMInitArgs函数指针变量上。JVM.dll的装载工作宣告完成。

初始化JVM，获得本地调用接口

这样就可以在Java中调用JVM的函数了。调用InvocationFunctions－>CreateJavaVM也就是JVM中JNI_CreateJavaVM方法获得JNIEnv结构的实例。

运行Java程序

Java程序有两种方式一种是jar包，一种是class。

运行jar,Java -jar XXX.jar运行的时候，Java.exe调用GetMainClassName函数，该函数先获得JNIEnv实例然后调用Java类Java.util.jar.JarFileJNIEnv中方法getManifest()并从返回的Manifest对象中取getAttributes("Main-Class")的值即jar包中文件：META-INF/MANIFEST.MF指定的Main-Class的主类名作为运行的主类。之后main函数会调用Java.c中LoadClass方法装载该主类（使用JNIEnv实例的FindClass）。main函数直接调用Java.c中LoadClass方法装载该类。

如果是执行class方法。main函数直接调用Java.c中LoadClass方法装载该类。 然后main函数调用JNIEnv实例的GetStaticMethodID方法查找装载的class主类中 “public static void main(String[] args)”方法，并判断该方法是否为public方法，然后调用JNIEnv实例的 CallStaticVoidMethod方法调用该Java类的main方法。

JVM的生命周期

JVM实例对应了一个独立运行的java程序，它是进程级别

a) 启动。启动一个Java程序时，一个JVM实例就产生了，任何一个拥有public static void main(String[] args)函数的class都可以作为JVM实例运行的起点。

b) 运行。main()作为该程序初始线程的起点，任何其他线程均由该线程启动。JVM内部有两种线程：守护线程和非守护线程，main()属于非守护线程，守护线程通常由JVM自己使用，java程序也可以表明自己创建的线程是守护线程。

c) 消亡。当程序中的所有非守护线程都终止时，JVM才退出；若安全管理器允许，程序也可以使用Runtime类或者System.exit()来退出。

JVM执行引擎实例则对应了属于用户运行程序的线程，它是线程级别的

JVM的体系结构

两张图都是结构图，比较类似。但是理解的角度不一样，所以都拿出来看看。其中Java栈称为虚拟机栈更合理一些。

• 类装载器（ClassLoader）（用来装载.class文件）
• 执行引擎（执行字节码，或者执行本地方法）
• 运行时数据区（方法区、堆、java栈、PC寄存器、本地方法栈）

JVM运行时数据区

PC寄存器

PC寄存器是用于存储每个线程下一步将执行的JVM指令，如该方法为native的，则PC寄存器中不存储任何信息。也称程序计数器 ，是最小的一块内存区域，它的作用是当前线程所执行的字节码的行号指示器，在虚拟机的模型里，字节码解释器工作时就是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，分支、循环、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖计数器完成。

虚拟机（JVM）栈

JVM栈是线程私有的，每个线程创建的同时都会创建JVM栈，JVM栈中存放的为当前线程中局部基本类型的变量（java中定义的八种基本类型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double）、部分的返回结果以及Stack Frame，非基本类型的对象在JVM栈上仅存放一个指向堆上的地址。

本地方法栈（Native Method Stacks）

JVM采用本地方法堆栈来支持native方法的执行，此区域用于存储每个native方法调用的状态。

与虚拟机栈基本类似，区别在于虚拟机栈为虚拟机执行的java方法服务，而本地方法栈则是为Native方法服务。

堆（Heap）

它是JVM用来存储对象实例以及数组值的区域，可以认为Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配，Heap中的对象的内存需要等待GC进行回收。

 堆是JVM中所有线程共享的，因此在其上进行对象内存的分配均需要进行加锁，这也导致了new对象的开销是比较大的。

Sun Hotspot JVM为了提升对象内存分配的效率，对于所创建的线程都会分配一块独立的空间TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根据运行的情况计算而得，在TLAB上分配对象时不需要加锁，因此JVM在给线程的对象分配内存时会尽量的在TLAB上分配，在这种情况下JVM中分配对象内存的性能和C基本是一样高效的，但如果对象过大的话则仍然是直接使用堆空间分配。

TLAB仅作用于新生代的Eden Space，因此在编写Java程序时，通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效。

所有新创建的Object 都将会存储在新生代Yong Generation中。如果Young Generation的数据在一次或多次GC后存活下来，那么将被转移到OldGeneration。新的Object总是创建在Eden Space。

方法区（Method Area）

在Sun JDK中这块区域对应的为PermanetGeneration，又称为持久代。

方法区域存放了所加载的类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态变量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息，当开发人员在程序中通过Class对象中的getName、isInterface等方法来获取信息时，这些数据都来源于方法区域，同时方法区域也是全局共享的，在一定的条件下它也会被GC，当方法区域需要使用的内存超过其允许的大小时，会抛出OutOfMemory的错误信息。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

存放的为类中的固定的常量信息、方法和Field的引用信息等，其空间从方法区域中分配。

JVM垃圾回收

GC (Garbage Collection)的基本原理：将内存中不再被使用的对象进行回收，GC中用于回收的方法称为收集器，由于GC需要消耗一些资源和时间，Java在对对象的生命周期特征进行分析后，按照新生代、旧生代的方式来对对象进行收集，以尽可能的缩短GC对应用造成的暂停。

对新生代的对象的收集称为minor GC

对旧生代的对象的收集称为Full GC

程序中主动调用System.gc()强制执行的GC为Full GC

不同的对象引用类型， GC会采用不同的方法进行回收，JVM对象的引用分为了四种类型：

强引用：默认情况下，对象采用的均为强引用（这个对象的实例没有其他对象引用，GC时才会被回收）

软引用：软引用是Java中提供的一种比较适合于缓存场景的应用（只有在内存不够用的情况下才会被GC）

弱引用：在GC时一定会被GC回收

虚引用：由于虚引用只是用来得知对象是否被GC

在New Generation块中，垃圾回收一般用Copying的算法，速度快。每次GC的时候，存活下来的对象首先由Eden拷贝到某个Survivor Space, 当Survivor Space空间满了后, 剩下的live对象就被直接拷贝到Old Generation中去。因此，每次GC后，Eden内存块会被清空。在Old Generation块中，垃圾回收一般用mark-compact的算法，速度慢些，但减少内存要求。垃圾回收分多级，0级为全部(Full)的垃圾回收，会回收OLD段中的垃圾；1级或以上为部分垃圾回收，只会回收NEW中的垃圾，内存溢出通常发生于OLD段或Perm段垃圾回收后，仍然无内存空间容纳新的Java对象的情况。

URL被访问时，内存申请过程：

JVM会试图为相关Java对象在Eden中初始化一块内存区域

当Eden空间足够时，内存申请结束。否则到下一步

JVM试图释放在Eden中所有不活跃的对象（这属于1或更高级的垃圾回收）

Survivor区释放后若Eden空间仍然不足以放入新对象，则试图将部分Eden中活跃对象放入Survivor区被用来作为Eden及OLD的中间交换区域，当OLD区空间足够时，Survivor区的对象会被移到Old区，否则会被保留在Survivor区

当OLD区空间不够时，JVM会在OLD区进行完全的垃圾收集（0级）

完全垃圾收集后，若Survivor及OLD区仍然无法存放从Eden复制过来的部分对象，导致JVM无法在Eden区为新对象创建内存区域，则出现”out of memory错误”

JVM调优建议

• ms/mx：定义YOUNG+OLD段的总尺寸，ms为JVM启动时YOUNG+OLD的内存大小；mx为最大可占用的YOUNG+OLD内存大小。在用户生产环境上一般将这两个值设为相同，以减少运行期间系统在内存申请上所花的开销。
• NewSize/MaxNewSize：定义YOUNG段的尺寸，NewSize为JVM启动时YOUNG的内存大小；MaxNewSize为最大可占用的YOUNG内存大小。在用户生产环境上一般将这两个值设为相同，以减少运行期间系统在内存申请上所花的开销。
• PermSize/MaxPermSize：定义Perm段的尺寸，PermSize为JVM启动时Perm的内存大小；MaxPermSize为最大可占用的Perm内存大小。在用户生产环境上一般将这两个值设为相同，以减少运行期间系统在内存申请上所花的开销。
• SurvivorRatio：设置Survivor空间和Eden空间的比例。

内存溢出的可能性

OLD段溢出

这种内存溢出是最常见的情况之一，产生的原因可能是：

设置的内存参数过小(ms/mx, NewSize/MaxNewSize)

程序问题

单个程序持续进行消耗内存的处理，如循环几千次的字符串处理，对字符串处理应建议使用StringBuffer。此时不会报内存溢出错，却会使系统持续垃圾收集，无法处理其它请求，相关问题程序可通过Thread Dump获取（见系统问题诊断一章）单个程序所申请内存过大，有的程序会申请几十乃至几百兆内存，此时JVM也会因无法申请到资源而出现内存溢出，对此首先要找到相关功能，然后交予程序员修改，要找到相关程序，必须在Apache日志中寻找。

当Java对象使用完毕后，其所引用的对象却没有销毁，使得JVM认为他还是活跃的对象而不进行回收，这样累计占用了大量内存而无法释放。由于目前市面上还没有对系统影响小的内存分析工具，故此时只能和程序员一起定位。

Perm段溢出

JVM管理两种类型的内存，堆和非堆。堆是给开发人员用的上面说的就是，是在 JVM 启动时创建；非堆是留给 JVM 自己用的，用来存放类的信息的。它和堆不同，运行期内 GC 不会释放空间。如果 web app 用了大量的第三方 jar 或者应用有太多的 class 文件而恰好 MaxPermSize 设置较小，超出了也会导致这块内存的占用过多造成溢出，或者 tomcat 热部署时侯不会清理前面加载的环境，只会将 context 更改为新部署的，非堆存的内容就会越来越多。

C Heap溢出

系统对C Heap没有限制，故C Heap发生问题时，Java进程所占内存会持续增长，直到占用所有可用系统内存。

其他

如JVM有2个GC线程，第一个线程负责回收Heap的Young区。第二个线程在Heap不足时，遍历Heap，将Young 区升级为Older区。Older区的大小等于-Xmx减去-Xmn，不能将-Xms的值设的过大，因为第二个线程被迫运行会降低JVM的性能。

为什么一些程序频繁发生GC？有如下原因：

• 程序内调用了System.gc()或Runtime.gc()。
• 一些中间件软件调用自己的GC方法，此时需要设置参数禁止这些GC。l         Java的Heap太小，一般默认的Heap值都很小。
• 频繁实例化对象，Release对象。此时尽量保存并重用对象，例如使用StringBuffer()和String()。如果你发现每次GC后，Heap的剩余空间会是总空间的50%，这表示你的Heap处于健康状态。许多Server端的Java程序每次GC后最好能有65%的剩余空间。

经验之谈

Server端JVM最好将-Xms和-Xmx设为相同值。为了优化GC，最好让-Xmn值约等于-Xmx的1/3。

增加Heap的大小虽然会降低GC的频率，但也增加了每次GC的时间。并且GC运行时，所有的用户线程将暂停，也就是GC期间，Java应用程序不做任何工作。

Heap大小并不决定进程的内存使用量。进程的内存使用量要大于-Xmx定义的值，因为Java为其他任务分配内存，例如每个线程的Stack等。

每个线程都有他自己的Stack，Stack的大小限制着线程的数量。如果Stack过大就好导致内存溢漏。-Xss参数决定Stack大小，例如-Xss1024K。如果Stack太小，也会导致Stack溢漏。

硬件环境也影响GC的效率，例如机器的种类，内存，swap空间，和CPU的数量。如果你的程序需要频繁创建很多transient对象，会导致JVM频繁GC。这种情况你可以增加机器的内存，来减少Swap空间的使用。

4种GC：

• 第一种为单线程GC，也是默认的GC。，该GC适用于单CPU机器。

• 第二种为Throughput GC，是多线程的GC，适用于多CPU，使用大量线程的程序。第二种GC与第一种GC相似，不同在于GC在收集Young区是多线程的，但在Old区和第一种一样，仍然采用单线程。-XX:+UseParallelGC参数启动该GC。

• 第三种为Concurrent Low Pause GC，类似于第一种，适用于多CPU，并要求缩短因GC造成程序停滞的时间。这种GC可以在Old区的回收同时，运行应用程序。-XX:+UseConcMarkSweepGC参数启动该GC。

• 第四种为Incremental Low Pause GC，适用于要求缩短因GC造成程序停滞的时间。这种GC可以在Young区回收的同时，回收一部分Old区对象。-Xincgc参数启动该GC。

#调试工具

• jps
• jmap
• Jstat
• Jvisualvm： window下启动远程监控，并在被监控服务端，启动jstatd服务。

转载于:https://my.oschina.net/zhaoyi1/blog/912774

总结

以上是生活随笔为你收集整理的JVM基本原理的全部内容，希望文章能够帮你解决所遇到的问题。

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