前言
JVM 一直都是面試的必考點，大家都知道，但是要把它搞清楚又好像不是特別容易。JVM 的知識點太散，不繫統，今天帶大家詳細的瞭解一下jvm的運行原理。
正文
1 什麼是JVM？
JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現的。由一套字節碼指令集、一組寄存器、一個棧、一個垃圾回收堆和一個存儲方法域等組成。JVM屏蔽了與操作系統平臺相關的信息，使得Java程序只需要生成在Java虛擬機上運行的目標代碼（字節碼），就可在多種平臺上不加修改的運行，這也是Java能夠“一次編譯，到處運行的”原因。
2.JVM基本概念
(1) 基本概念：
JVM是可運行Java代碼的假想計算機 ，包括一套字節碼指令集、一組寄存器、一個棧、一個垃圾回收，堆 和 一個存儲方法域。JVM是運行在操作系統之上的，它與硬件沒有直接的交互。
(2) 運行過程：
我們都知道Java源文件，通過編譯器，能夠生產相應的.Class文件，也就是字節碼文件，而字節碼文件又通過Java虛擬機中的解釋器，編譯成特定機器上的機器碼 。
也就是如下：
① Java源文件—->編譯器—->字節碼文件
② 字節碼文件—->JVM—->機器碼
每一種平臺的解釋器是不同的，但是實現的虛擬機是相同的，這也就是Java為什麼能夠跨平臺的原因了 ，當一個程序從開始運行，這時虛擬機就開始實例化了，多個程序啟動就會存在多個虛擬機實例。程序退出或者關閉，則虛擬機實例消亡，多個虛擬機實例之間數據不能共享。
(3) 三種JVM:
① Sun公司的HotSpot；
② BEA公司的JRockit；
③ IBM公司的J9 JVM；
在JDK1.7及其以前我們所使用的都是Sun公司的HotSpot，但由於Sun公司和BEA公司都被oracle收購，jdk1.8將採用Sun公司的HotSpot和BEA公司的JRockit兩個JVM中精華形成jdk1.8的JVM。
3.JVM的體系結構
(1) Class Loader類加載器
負責加載 .class文件，class文件在文件開頭有特定的文件標示，並且ClassLoader負責class文件的加載等，至於它是否可以運行，則由Execution Engine決定。
① 定位和導入二進制class文件
② 驗證導入類的正確性
③ 為類分配初始化內存
④ 幫助解析符號引用.
(2) Native Interface本地接口:
本地接口的作用是融合不同的編程語言為Java所用，它的初衷是融合C/C++程序，Java誕生的時候C/C++橫行的時候，要想立足，必須有調用C/C++程序，於是就在內存中專門開闢了一塊區域處理標記為native的代碼，它的具體作法是Native Method Stack中登記native方法，在Execution Engine執行時加載native libraies。
目前該方法使用的越來越少了，除非是與硬件有關的應用，比如通過Java程序驅動打印機，或者Java系統管理生產設備，在企業級應用中已經比較少見。
因為現在的異構領域間的通信很發達，比如可以使用Socket通信，也可以使用Web Service等。
(3) Execution Engine 執行引擎：執行包在裝載類的方法中的指令，也就是方法。
(4) Runtime data area 運行數據區:
虛擬機內存或者Jvm內存，衝整個計算機內存中開闢一塊內存存儲Jvm需要用到的對象，變量等，運行區數據有分很多小區，分別為：方法區，虛擬機棧，本地方法棧，堆，程序計數器。
4.JVM數據運行區詳解（棧管運行，堆管存儲）：
說明：JVM調優主要就是優化 Heap堆 和 Method Area 方法區。
(1) Native Method Stack本地方法棧
它的具體做法是Native Method Stack中登記native方法，在Execution Engine執行時加載native libraies。
(2) PC Register程序計數器
每個線程都有一個程序計算器，就是一個指針，指向方法區中的方法字節碼（下一個將要執行的指令代碼），由執行引擎讀取下一條指令，是一個非常小的內存空間，幾乎可以忽略不記。
(3) Method Area方法區
方法區是被所有線程共享，所有字段和方法字節碼，以及一些特殊方法如構造函數，接口代碼也在此定義。簡單說，所有定義的方法的信息都保存在該區域，此區域屬於共享區間。
靜態變量+常量+類信息+運行時常量池存在方法區中，實例變量存在堆內存中。
(4) Stack 棧
① 棧是什麼
棧也叫棧內存，主管Java程序的運行，是在線程創建時創建，它的生命期是跟隨線程的生命期，線程結束棧內存也就釋放，對於棧來說不存在垃圾回收問題，只要線程一結束該棧就Over，生命週期和線程一致，是線程私有的。
基本類型的變量和對象的引用變量都是在函數的棧內存中分配。
② 棧存儲什麼？
棧幀中主要保存3類數據：
本地變量（Local Variables）：輸入參數和輸出參數以及方法內的變量；
棧操作（Operand Stack）：記錄出棧、入棧的操作；
棧幀數據（Frame Data）：包括類文件、方法等等。
③ 棧運行原理
棧中的數據都是以棧幀（Stack Frame）的格式存在，棧幀是一個內存區塊，是一個數據集，是一個有關方法和運行期數據的數據集，當一個方法A被調用時就產生了一個棧幀F1，並被壓入到棧中，A方法又調用了B方法，於是產生棧幀F2也被壓入棧，B方法又調用了C方法，於是產生棧幀F3也被壓入棧…… 依次執行完畢後，先彈出後進......F3棧幀，再彈出F2棧幀，再彈出F1棧幀。
遵循“先進後出”/“後進先出”原則。
(5) Heap 堆
堆這塊區域是JVM中最大的，應用的對象和數據都是存在這個區域，這塊區域也是線程共享的，也是 gc 主要的回收區，一個 JVM 實例只存在一個堆類存，堆內存的大小是可以調節的。類加載器讀取了類文件後，需要把類、方法、常變量放到堆內存中，以方便執行器執行，堆內存分為三部分：
① 新生區
新生區是類的誕生、成長、消亡的區域，一個類在這裡產生，應用，最後被垃圾回收器收集，結束生命。新生區又分為兩部分：伊甸區（Eden space）和倖存者區（Survivor pace），所有的類都是在伊甸區被new出來的。倖存區有兩個：0區（Survivor 0 space）和1區（Survivor 1 space）。當伊甸園的空間用完時，程序又需要創建對象，JVM的垃圾回收器將對伊甸園進行垃圾回收（Minor GC）,將伊甸園中的剩餘對象移動到倖存0區。若倖存0區也滿了，再對該區進行垃圾回收，然後移動到1區。那如果1去也滿了呢？再移動到養老區。若養老區也滿了，那麼這個時候將產生Major GC（FullGCC），進行養老區的內存清理。若養老區執行Full GC 之後發現依然無法進行對象的保存，就會產生OOM異常“OutOfMemoryError”。
如果出現java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space異常，說明Java虛擬機的堆內存不夠。原因有二：
a.Java虛擬機的堆內存設置不夠，可以通過參數-Xms、-Xmx來調整。
b.代碼中創建了大量大對象，並且長時間不能被垃圾收集器收集（存在被引用）。
② 養老區
養老區用於保存從新生區篩選出來的 JAVA 對象，一般池對象都在這個區域活躍。
③ 永久區
永久存儲區是一個常駐內存區域，用於存放JDK自身所攜帶的 Class,Interface 的元數據，也就是說它存儲的是運行環境必須的類信息，被裝載進此區域的數據是不會被垃圾回收器回收掉的，關閉 JVM 才會釋放此區域所佔用的內存。
如果出現java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space，說明是Java虛擬機對永久代Perm內存設置不夠。原因有二：
a. 程序啟動需要加載大量的第三方jar包。例如：在一個Tomcat下部署了太多的應用。
b. 大量動態反射生成的類不斷被加載，最終導致Perm區被佔滿。
說明：
Jdk1.6及之前：常量池分配在永久代 。
Jdk1.7：有，但已經逐步“去永久代” 。
Jdk1.8及之後：無(java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,這種錯誤將不會出現在JDK1.8中)。
說明：方法區和堆內存的異議：
實際而言，方法區和堆一樣，是各個線程共享的內存區域，它用於存儲虛擬機加載的：類信息+普通常量+靜態常量+編譯器編譯後的代碼等等，雖然JVM規範將方法區描述為堆的一個邏輯部分，但它卻還有一個別名叫做Non-Heap（非堆），目的就是要和堆分開。
對於HotSpot虛擬機，很多開發者習慣將方法區稱之為“永久代（Parmanent Gen）”,但嚴格本質上說兩者不同，或者說使用永久代來實現方法區而已，永久代是方法區的一個實現，jdk1.7的版本中，已經將原本放在永久代的字符串常量池移走。
常量池（Constant Pool）是方法區的一部分，Class文件除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息就是常量池，這部分內容將在類加載後進入方法區的運行時常量池中存放。
5.堆內存調優簡介
代碼測試：
public class JVMTest {
public static void main(String[] args){
long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();//返回Java虛擬機試圖使用的最大內存量。
Long totalMemory = Runtime. getRuntime().totalMemory();//返回Java虛擬機中的內存總量。
System.out.println("MAX_MEMORY ="+maxMemory +"(字節)、"+(maxMemory/(double)1024/1024) + "MB");
System.out.println("TOTAL_ MEMORY = "+totalMemory +"(字節)"+(totalMemory/(double)1024/1024) + "MB");
}
}
說明：在Run as ->Run Configurations中輸入"-XX:+PrintGCDetails"可以查看堆內存運行原理圖：
(1) 在jdk1.7中：
(2) 在jdk1.8中:
6.通過參數設置自動觸發垃圾回收：
public class JVMTest {
public static void main(String[] args){
long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();//返回Java虛擬機試圖使用的最大內存量。
Long totalMemory = Runtime. getRuntime().totalMemory();//返回Java虛擬機中的內存總量。
System.out.println("MAX_MEMORY ="+maxMemory +"(字節)、"+(maxMemory/(double)1024/1024) + "MB");
System.out.println("TOTAL_ MEMORY = "+totalMemory +"(字節)"+(totalMemory/(double)1024/1024) + "MB");
String str = "www.baidu.com";
while(true){
str += str + new Random().nextInt(88888888) + new Random().nextInt(99999999);
}
}
}
在Run as ->Run Configurations中輸入設置“-Xmx8m –Xms8m –xx:+PrintGCDetails”可以參看垃圾回收機制原理:
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