JVM 理解其實(shí)并不難！

作者：Javaspring思維導(dǎo)圖 2019-03-11 16:24:04

云計(jì)算

虛擬化 前些天面試了阿里的實(shí)習(xí)生，問(wèn)到關(guān)于Dalvik虛擬機(jī)能不能執(zhí)行class文件，我當(dāng)時(shí)的回答是不能，但是它執(zhí)行的是class轉(zhuǎn)換的dex文件。

前些天面試了阿里的實(shí)習(xí)生，問(wèn)到關(guān)于Dalvik虛擬機(jī)能不能執(zhí)行class文件，我當(dāng)時(shí)的回答是不能，但是它執(zhí)行的是class轉(zhuǎn)換的dex文件。當(dāng)面試官繼續(xù)問(wèn)，為什么不能執(zhí)行class文件時(shí)，我卻只能回答Dalvik虛擬機(jī)內(nèi)部的優(yōu)化原因，卻不能正確回答具體的原因。其實(shí)周志明的這本書(shū)就有回答：Dakvik并不是一個(gè)Java虛擬機(jī)，它沒(méi)有遵循Java虛擬機(jī)規(guī)范，不能執(zhí)行Java的class文件，使用的是寄存器架構(gòu)而不是JVM中常見(jiàn)的棧架構(gòu)，但是它與Java又有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，它執(zhí)行的dex文件可以通過(guò)class文件轉(zhuǎn)化而來(lái)。

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其實(shí)在本科期間，就有接觸過(guò)《深入理解Java虛擬機(jī)》，但是一直以來(lái)都沒(méi)去仔細(xì)研讀，現(xiàn)在回頭想想實(shí)在是覺(jué)得可惜!研一期間花了不少時(shí)間研讀，現(xiàn)在準(zhǔn)備找工作了，發(fā)現(xiàn)好多內(nèi)容看了又忘。索性寫(xiě)一篇文章，把這本書(shū)的知識(shí)點(diǎn)做一個(gè)總結(jié)。當(dāng)然了，如果你想看比較詳細(xì)的內(nèi)容，可以翻看《深入理解Java虛擬機(jī)》。

JVM內(nèi)存區(qū)域

我們?cè)诰帉?xiě)程序時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到OOM(out of Memory)以及內(nèi)存泄漏等問(wèn)題。為了避免出現(xiàn)這些問(wèn)題，我們首先必須對(duì)JVM的內(nèi)存劃分有個(gè)具體的認(rèn)識(shí)。JVM將內(nèi)存主要?jiǎng)澐譃椋悍椒▍^(qū)、虛擬機(jī)棧、本地方法棧、堆、程序計(jì)數(shù)器。JVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)如下：

 

程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器是線(xiàn)程私有的區(qū)域，很好理解嘛~，每個(gè)線(xiàn)程當(dāng)然得有個(gè)計(jì)數(shù)器記錄當(dāng)前執(zhí)行到那個(gè)指令。占用的內(nèi)存空間小，可以把它看成是當(dāng)前線(xiàn)程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。如果線(xiàn)程在執(zhí)行Java方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令地址;如果執(zhí)行的是Native方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器的值為空(Undefined)。此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在Java虛擬機(jī)規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。

Java虛擬機(jī)棧

與程序計(jì)數(shù)器一樣，Java虛擬機(jī)棧也是線(xiàn)程私有的。其生命周期與線(xiàn)程相同。如何理解虛擬機(jī)棧呢?本質(zhì)上來(lái)講，就是個(gè)棧。里面存放的元素叫棧幀，棧幀好像很復(fù)雜的樣子，其實(shí)它很簡(jiǎn)單!它里面存放的是一個(gè)函數(shù)的上下文，具體存放的是執(zhí)行的函數(shù)的一些數(shù)據(jù)。執(zhí)行的函數(shù)需要的數(shù)據(jù)無(wú)非就是局部變量表(保存函數(shù)內(nèi)部的變量)、操作數(shù)棧(執(zhí)行引擎計(jì)算時(shí)需要)，方法出口等等。

執(zhí)行引擎每調(diào)用一個(gè)函數(shù)時(shí)，就為這個(gè)函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)棧幀，并加入虛擬機(jī)棧。換個(gè)角度理解，每個(gè)函數(shù)從調(diào)用到執(zhí)行結(jié)束，其實(shí)是對(duì)應(yīng)一個(gè)棧幀的入棧和出棧。

注意這個(gè)區(qū)域可能出現(xiàn)的兩種異常：一種是StackOverflowError，當(dāng)前線(xiàn)程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度時(shí)，會(huì)拋出這個(gè)異常。制造這種異常很簡(jiǎn)單：將一個(gè)函數(shù)反復(fù)遞歸自己，最終會(huì)出現(xiàn)棧溢出錯(cuò)誤(StackOverflowError)。另一種異常是OutOfMemoryError異常，當(dāng)虛擬機(jī)?？梢詣?dòng)態(tài)擴(kuò)展時(shí)(當(dāng)前大部分虛擬機(jī)都可以)，如果無(wú)法申請(qǐng)足夠多的內(nèi)存就會(huì)拋出OutOfMemoryError，如何制作虛擬機(jī)棧OOM呢，參考一下代碼：

  
 
 
 

   
  
  
  
public void stackLeakByThread(){ 
   
  
  
  
while(true){ 
   
  
  
  
new Thread(){ 
   
  
  
  
public void run(){ 
   
  
  
  
while(true){ 
   
  
  
  
} 
   
  
  
  
} 
   
  
  
  
}.start() 
   
  
  
  
} 
   
  
  
  
} 
  
 
 
 

這段代碼有風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致操作系統(tǒng)假死，請(qǐng)謹(jǐn)慎使用~~~

本地方法棧

本地方法棧與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用很相似，他們的區(qū)別在于虛擬機(jī)棧為執(zhí)行Java代碼方法服務(wù)，而本地方法棧是為Native方法服務(wù)。與虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧也會(huì)拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

Java堆

Java堆可以說(shuō)是虛擬機(jī)中***一塊內(nèi)存了。它是所有線(xiàn)程所共享的內(nèi)存區(qū)域，幾乎所有的實(shí)例對(duì)象都是在這塊區(qū)域中存放。當(dāng)然，睡著JIT編譯器的發(fā)展，所有對(duì)象在堆上分配漸漸變得不那么“絕對(duì)”了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域。由于現(xiàn)在的收集器基本上采用的都是分代收集算法，所有Java堆可以細(xì)分為：新生代和老年代。在細(xì)致分就是把新生代分為：Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間。當(dāng)堆無(wú)法再擴(kuò)展時(shí)，會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

方法區(qū)

方法區(qū)存放的是類(lèi)信息、常量、靜態(tài)變量等。方法區(qū)是各個(gè)線(xiàn)程共享區(qū)域，很容易理解，我們?cè)趯?xiě)Java代碼時(shí)，每個(gè)線(xiàn)程度可以訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)類(lèi)的靜態(tài)變量對(duì)象。由于使用反射機(jī)制的原因，虛擬機(jī)很難推測(cè)那個(gè)類(lèi)信息不再使用，因此這塊區(qū)域的回收很難。另外，對(duì)這塊區(qū)域主要是針對(duì)常量池回收，值得注意的是JDK1.7已經(jīng)把常量池轉(zhuǎn)移到堆里面了。同樣，當(dāng)方法區(qū)無(wú)法滿(mǎn)足內(nèi)存分配需求時(shí)，會(huì)拋出OutOfMemoryError。

制造方法區(qū)內(nèi)存溢出，注意，必須在JDK1.6及之前版本才會(huì)導(dǎo)致方法區(qū)溢出，原因后面解釋,執(zhí)行之前，可以把虛擬機(jī)的參數(shù)-XXpermSize和-XX：MaxPermSize限制方法區(qū)大小。

  
 
 
 

   
  
  
  
List list =new ArrayList(); 
   
  
  
  
int i =0; 
   
  
  
  
while(true){ 
   
  
  
  
list.add(String.valueOf(i).intern()); 
   
  
  
  
} 
  
 
 
 

運(yùn)行后會(huì)拋出java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space異常。

解釋一下，String的intern()函數(shù)作用是如果當(dāng)前的字符串在常量池中不存在，則放入到常量池中。上面的代碼不斷將字符串添加到常量池，最終肯定會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存不足，拋出方法區(qū)的OOM。

下面解釋一下，為什么必須將上面的代碼在JDK1.6之前運(yùn)行。我們前面提到，JDK1.7后，把常量池放入到堆空間中，這導(dǎo)致intern()函數(shù)的功能不同，具體怎么個(gè)不同法，且看看下面代碼：

  
 
 
 

   
  
  
  
String str1 =new StringBuilder("hua").append("chao").toString(); 
   
  
  
  
System.out.println(str1.intern()==str1); 
   
  
  
  
String str2=new StringBuilder("ja").append("va").toString(); 
   
  
  
  
System.out.println(str2.intern()==str2); 
  
 
 
 

這段代碼在JDK1.6和JDK1.7運(yùn)行的結(jié)果不同。JDK1.6結(jié)果是：false,false ，JDK1.7結(jié)果是true, false。原因是：JDK1.6中，intern()方法會(huì)吧***遇到的字符串實(shí)例復(fù)制到常量池中，返回的也是常量池中的字符串的引用，而StringBuilder創(chuàng)建的字符串實(shí)例是在堆上面，所以必然不是同一個(gè)引用，返回false。在JDK1.7中，intern不再?gòu)?fù)制實(shí)例，常量池中只保存***出現(xiàn)的實(shí)例的引用，因此intern()返回的引用和由StringBuilder創(chuàng)建的字符串實(shí)例是同一個(gè)。為什么對(duì)str2比較返回的是false呢?這是因?yàn)椋琂VM中內(nèi)部在加載類(lèi)的時(shí)候，就已經(jīng)有"java"這個(gè)字符串，不符合“***出現(xiàn)”的原則，因此返回false。

垃圾回收(GC)

JVM的垃圾回收機(jī)制中，判斷一個(gè)對(duì)象是否死亡，并不是根據(jù)是否還有對(duì)象對(duì)其有引用，而是通過(guò)可達(dá)性分析。對(duì)象之間的引用可以抽象成樹(shù)形結(jié)構(gòu)，通過(guò)樹(shù)根(GC Roots)作為起點(diǎn)，從這些樹(shù)根往下搜索，搜索走過(guò)的鏈稱(chēng)為引用鏈，當(dāng)一個(gè)對(duì)象到GC Roots沒(méi)有任何引用鏈相連時(shí)，則證明這個(gè)對(duì)象是不可用的，該對(duì)象會(huì)被判定為可回收的對(duì)象。

那么那些對(duì)象可作為GC Roots呢?主要有以下幾種：

1.虛擬機(jī)棧(棧幀中的本地變量表)中引用的對(duì)象。

2.方法區(qū)中類(lèi)靜態(tài)屬性引用的對(duì)象。

3.方法區(qū)中常量引用的對(duì)象

4.本地方法棧中JNI(即一般說(shuō)的Native方法)引用的對(duì)象。

另外，Java還提供了軟引用和弱引用，這兩個(gè)引用是可以隨時(shí)被虛擬機(jī)回收的對(duì)象，我們將一些比較占內(nèi)存但是又可能后面用的對(duì)象，比如Bitmap對(duì)象，可以聲明為軟引用貨弱引用。但是注意一點(diǎn)，每次使用這個(gè)對(duì)象時(shí)候，需要顯示判斷一下是否為null，以免出錯(cuò)。

三種常見(jiàn)的垃圾收集算法

1.標(biāo)記-清除算法

首先，通過(guò)可達(dá)性分析將可回收的對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記后再統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對(duì)象，標(biāo)記過(guò)程其實(shí)就是可達(dá)性分析的過(guò)程。這種方法有2個(gè)不足點(diǎn)：效率問(wèn)題，標(biāo)記和清除兩個(gè)過(guò)程的效率都不高;另一個(gè)是空間問(wèn)題，標(biāo)記清除之后會(huì)產(chǎn)生大量的不連續(xù)的內(nèi)存碎片。

2.復(fù)制算法

為了解決效率問(wèn)題，復(fù)制算法是將內(nèi)存分為大小相同的兩塊，每次只使用其中一塊。當(dāng)這塊內(nèi)存用完了，就將還存活的對(duì)象復(fù)制到另一塊內(nèi)存上面。然后再把已經(jīng)使用過(guò)的內(nèi)存一次清理掉。這使得每次只對(duì)半個(gè)區(qū)域進(jìn)行垃圾回收，內(nèi)存分配時(shí)也不用考慮內(nèi)存碎片情況。

但是，這代價(jià)實(shí)在是讓人無(wú)法接受，需要犧牲一般的內(nèi)存空間。研究發(fā)現(xiàn)，大部分對(duì)象都是“朝生夕死”，所以不需要安裝1:1比例劃分內(nèi)存空間，而是將內(nèi)存分為一塊較大的Eden空間和兩塊較小的Survivor空間，每次使用Eden空間和一塊Survivor空間，默認(rèn)比例為Eden：Survivor=8:1.新生代區(qū)域就是這么劃分，每次實(shí)例在Eden和一塊Survivor中分配，回收時(shí)，將存活的對(duì)象復(fù)制到剩下的另一塊Survivor。這樣只有10%的內(nèi)存會(huì)被浪費(fèi)，但是帶來(lái)的效率卻很高。當(dāng)剩下的Survivor內(nèi)存不足時(shí)，可以去老年代內(nèi)存進(jìn)行分配擔(dān)保。如何理解分配擔(dān)保呢，其實(shí)就是，內(nèi)存不足時(shí)，去老年代內(nèi)存空間分配，然后等新生代內(nèi)存緩過(guò)來(lái)了之后，把內(nèi)存歸還給老年代，保持新生代中的Eden：Survivor=8:1.另外，兩個(gè)Survivor分別有自己的名稱(chēng)：From Survivor、To Survivor。二者身份經(jīng)常調(diào)換，即有時(shí)這塊內(nèi)存與Eden一起參與分配，有時(shí)是另一塊。因?yàn)樗麄冎g經(jīng)常相互復(fù)制。

3.標(biāo)記-整理算法

標(biāo)記整理算法很簡(jiǎn)單，就是先標(biāo)記需要回收的對(duì)象，然后把所有存活的對(duì)象移動(dòng)到內(nèi)存的一端。這樣的好處是避免了內(nèi)存碎片。

類(lèi)加載機(jī)制

類(lèi)從被加載到虛擬機(jī)內(nèi)存開(kāi)始，到卸載出內(nèi)存為止，整個(gè)生命周期包括：加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化、使用和卸載七個(gè)階段。

其中加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、初始化、和卸載這5個(gè)階段的順序是確定的。而解析階段不一定：它在某些情況下可以在初始化階段之后再開(kāi)始，這是為了支持Java的運(yùn)行時(shí)綁定。

關(guān)于初始化：JVM規(guī)范明確規(guī)定，有且只有5中情況必須執(zhí)行對(duì)類(lèi)的初始化(加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備自然再此之前要發(fā)生)：

1.遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic，如果類(lèi)沒(méi)有初始化，則必須初始化，這幾條指令分別是指：new新對(duì)象、讀取靜態(tài)變量、設(shè)置靜態(tài)變量，調(diào)用靜態(tài)函數(shù)。

2.使用java.lang.reflect包的方法對(duì)類(lèi)進(jìn)行反射調(diào)用時(shí)，如果類(lèi)沒(méi)初始化，則需要初始化

3.當(dāng)初始化一個(gè)類(lèi)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)父類(lèi)沒(méi)有初始化，則需要先觸發(fā)父類(lèi)初始化。

4.當(dāng)虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)，用戶(hù)需要制定一個(gè)執(zhí)行的主類(lèi)(包含main函數(shù)的類(lèi))，虛擬機(jī)會(huì)先初始化這個(gè)類(lèi)。

5.但是用JDK1.7啟的動(dòng)態(tài)語(yǔ)言支持時(shí)，如果一個(gè)MethodHandle實(shí)例***解析的結(jié)果是REF_getStatic、REF_putStatic、Ref_invokeStatic的方法句柄時(shí)，并且這個(gè)方法句柄所對(duì)應(yīng)的類(lèi)沒(méi)有進(jìn)行初始化，則要先觸發(fā)其初始化。

另外要注意的是：通過(guò)子類(lèi)來(lái)引用父類(lèi)的靜態(tài)字段，不會(huì)導(dǎo)致子類(lèi)初始化：

  
 
 
 

   
  
  
  
public class SuperClass{ 
   
  
  
  
public static int value=123; 
   
  
  
  
static{ 
   
  
  
  
System.out.printLn("SuperClass init!"); 
   
  
  
  
} 
   
  
  
  
} 
   
  
  
  
public class SubClass extends SuperClass{ 
   
  
  
  
static{ 
   
  
  
  
System.out.println("SubClass init!"); 
   
  
  
  
} 
   
  
  
  
} 
   
  
  
  
public class Test{ 
   
  
  
  
public static void main(String[] args){ 
   
  
  
  
System.out.println(SubClass.value); 
   
  
  
  
} 
   
  
  
  
} 
  
 
 
 

***只會(huì)打?。篠uperClass init!

對(duì)應(yīng)靜態(tài)變量，只有直接定義這個(gè)字段的類(lèi)才會(huì)被初始化，因此通過(guò)子類(lèi)類(lèi)引用父類(lèi)中定義的靜態(tài)變量只會(huì)觸發(fā)父類(lèi)初始化而不會(huì)觸發(fā)子類(lèi)初始化。

通過(guò)數(shù)組定義來(lái)引用類(lèi)，不會(huì)觸發(fā)此類(lèi)的初始化：

  
 
 
 

   
  
  
  
public class Test{ 
   
  
  
  
public static void main(String[] args){ 
   
  
  
  
SuperClass[] sca=new SuperClass[10]; 
   
  
  
  
} 
   
  
  
  
} 
  
 
 
 

常量會(huì)在編譯階段存入調(diào)用者的常量池，本質(zhì)上并沒(méi)有直接引用到定義常量的類(lèi)，因此不會(huì)觸發(fā)定義常量的類(lèi)初始化，示例代碼如下：

  
 
 
 

   
  
  
  
public class ConstClass{ 
   
  
  
  
public static final String HELLO_WORLD="hello world"; 
   
  
  
  
static { 
   
  
  
  
System.out.println("ConstClass init!"); 
   
  
  
  
} 
   
  
  
  
} 
   
  
  
  
public class Test{ 
   
  
  
  
public static void main(String[] args){ 
   
  
  
  
System.out.print(ConstClass.HELLO_WORLD); 
   
  
  
  
} 
   
  
  
  
} 
  
 
 
 

上面代碼不會(huì)出現(xiàn)ConstClass init!

加載

加載過(guò)程主要做以下3件事

1.通過(guò)一個(gè)類(lèi)的全限定名稱(chēng)來(lái)獲取此類(lèi)的二進(jìn)制流

2.強(qiáng)這個(gè)字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.在內(nèi)存中生成一個(gè)代表這個(gè)類(lèi)的java.lang.Class對(duì)象,作為方法區(qū)這個(gè)類(lèi)的各種數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)入口。

驗(yàn)證

這個(gè)階段主要是為了確保Class文件字節(jié)流中包含信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，并且不會(huì)出現(xiàn)危害虛擬機(jī)自身的安全。

準(zhǔn)備

準(zhǔn)備階段是正式為類(lèi)變量分配內(nèi)存并設(shè)置類(lèi)變量初始值的階段，這些變量所使用的內(nèi)存都在方法區(qū)中分配。首先，這個(gè)時(shí)候分配內(nèi)存僅僅包括類(lèi)變量(被static修飾的變量)，而不包括實(shí)例變量。實(shí)例變量會(huì)在對(duì)象實(shí)例化時(shí)隨著對(duì)象一起分配在java堆中。其次這里所說(shuō)的初始值“通常情況下”是數(shù)據(jù)類(lèi)型的零值，假設(shè)一個(gè)類(lèi)變量定義為

  
 
 
 

   
  
  
  
public static int value=123; 
  
 
 
 

那變量value在準(zhǔn)備階段后的初始值是0，而不是123，因?yàn)檫€沒(méi)有執(zhí)行任何Java方法，而把value賦值為123是在程序編譯后，存放在類(lèi)構(gòu)造函數(shù)()方法中。

解析

解析階段是把虛擬機(jī)中常量池的符號(hào)引用替換為直接引用的過(guò)程。

初始化

類(lèi)初始化時(shí)類(lèi)加載的***一步，前面類(lèi)加載過(guò)程中，除了加載階段用戶(hù)可以通過(guò)自定義類(lèi)加載器參與以外，其余動(dòng)作都是虛擬機(jī)主導(dǎo)和控制。到了初始化階段，才是真正執(zhí)行類(lèi)中定義Java程序代碼。

準(zhǔn)備階段中，變量已經(jīng)賦過(guò)一次系統(tǒng)要求的初始值，而在初始化階段，根據(jù)程序員通過(guò)程序制定的主觀計(jì)劃初始化類(lèi)變量。初始化過(guò)程其實(shí)是執(zhí)行類(lèi)構(gòu)造器()方法的過(guò)程。

()方法是由編譯器自動(dòng)收集類(lèi)中所有類(lèi)變量的賦值動(dòng)作和靜態(tài)語(yǔ)句塊中的語(yǔ)句合并產(chǎn)生的。收集的順序是按照語(yǔ)句在源文件中出現(xiàn)的順序。靜態(tài)語(yǔ)句塊中只能訪(fǎng)問(wèn)定義在靜態(tài)語(yǔ)句塊之前的變量，定義在它之后的變量可以賦值，但不能訪(fǎng)問(wèn)。如下所示：

  
 
 
 

   
  
  
  
public class Test{ 
   
  
  
  
static{ 
   
  
  
  
i=0; 
   
  
  
  
System.out.print(i); 
   
  
  
  
} 
   
  
  
  
static int i=1; 
   
  
  
  
} 
  
 
 
 

()方法與類(lèi)構(gòu)造函數(shù)(或者說(shuō)實(shí)例構(gòu)造器())不同，他不需要顯式地調(diào)用父類(lèi)構(gòu)造器，虛擬機(jī)會(huì)保證子類(lèi)的()方法執(zhí)行之前，父類(lèi)的()已經(jīng)執(zhí)行完畢。

類(lèi)加載器

關(guān)于自定義類(lèi)加載器，和雙親委派模型，這里不再提，寫(xiě)了幾個(gè)小時(shí)了，該洗洗睡了~

當(dāng)前題目：JVM理解其實(shí)并不難！
網(wǎng)站路徑：http://www.5511xx.com/article/dhdjdjg.html