大家好，我是KookNut39也是Tommy，在CSDN寫(xiě)文，寫(xiě)Java時(shí)候我是Tommy，分享一些自己認(rèn)為在學(xué)習(xí)過(guò)程中比較重要的東西，致力于幫助初學(xué)者入門(mén)，希望可以幫助你進(jìn)步。感興趣的歡迎關(guān)注博主，和博主一起學(xué)習(xí)Java知識(shí)。大家還可以去專(zhuān)欄查看之前的文章，希望未來(lái)能和大家共同探討技術(shù)。

了解JVM（Java虛擬機(jī)）首先我們必須了解VM（虛擬機(jī)）是什么。

所謂虛擬機(jī)（Virtual Machine），就是一臺(tái)虛擬的計(jì)算機(jī)。它是一款軟件，用來(lái)執(zhí)行一系列虛擬計(jì)算機(jī)指令。大體上，虛擬機(jī)可以分為系統(tǒng)虛擬機(jī)和程序虛擬機(jī)。

我們經(jīng)常見(jiàn)到的 VMware 就屬于系統(tǒng)虛擬機(jī)，它是完全對(duì)物理計(jì)算機(jī)的仿真，提供了一個(gè)可運(yùn)行完整操作系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。

程序虛擬機(jī)典型的代表就是 Java 虛擬機(jī)了，它專(zhuān)門(mén)為執(zhí)行某個(gè)單個(gè)計(jì)算機(jī)程序而設(shè)計(jì)。在 Java 虛擬機(jī)中執(zhí)行的指令我們稱(chēng)為 Java 字節(jié)碼指令。無(wú)論是系統(tǒng)虛擬機(jī)還是程序虛擬機(jī)，在上面運(yùn)行的軟件都被限制于虛擬機(jī)提供的資源。Java 虛擬機(jī)是一種執(zhí)行 Java 字節(jié)碼文件的虛擬計(jì)算機(jī)，它擁有獨(dú)立的運(yùn)行機(jī)制。

Java 技術(shù)的核心就是 Java 虛擬機(jī)，因?yàn)樗械?Java 程序都運(yùn)行在 Java 虛擬機(jī)內(nèi)部。

JVM概述

JVM就是Java虛擬機(jī)，虛擬機(jī)就是一臺(tái)虛擬的計(jì)算機(jī)，是一款軟件。Java 虛擬機(jī)就是二進(jìn)制字節(jié)碼的運(yùn)行環(huán)境，負(fù)責(zé)裝載字節(jié)碼到其內(nèi)部，解釋或編譯為對(duì)應(yīng)平臺(tái)上的機(jī)器碼指令執(zhí)行，每一條 Java 指令，Java 虛擬機(jī)中都有詳細(xì)定義，如怎么取操作數(shù)，怎么處理操作數(shù)，處理結(jié)果放在哪兒等。JVM是運(yùn)行在操作系統(tǒng)上的，不與硬件直接交互。

JVM整體的四個(gè)部分

JVM整體組成可以分為4個(gè)部分：

1. 類(lèi)加載器（ClassLoader）
2. 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Area）
3. 執(zhí)行引擎（Execution Engine）
4. 本地方法接口（Native Interface）

程序在執(zhí)行之前先要把 Java 代碼轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼（.class 文件），JVM 首先需要把字節(jié)碼通過(guò)一定的類(lèi)加載器（Class Loader）把文件加載到內(nèi)存中運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Area），而字節(jié)碼文件是 JVM 的一套指令集規(guī)范，并不能直接交給底層操作系統(tǒng)去執(zhí)行，因此需要特定的命令解析器（執(zhí)行引擎（Execution Engine）） 將字節(jié)碼翻譯成底層系統(tǒng)指令再交由 CPU 去執(zhí)行，而這個(gè)過(guò)程中需要調(diào)用其他語(yǔ)言的接口（本地方法接口（Native Interface）） 來(lái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)程序的功能，這就是這 4 個(gè)主要組成部分的職責(zé)與功能。

1.1 類(lèi)加載器

Java編譯器會(huì)為虛擬機(jī)轉(zhuǎn)換源指令。虛擬機(jī)代碼存儲(chǔ)在以 .class 為擴(kuò)展名的類(lèi)文件中，每個(gè)類(lèi)文件都包含某個(gè)類(lèi)或者接口的定義和實(shí)現(xiàn)代碼。

? ——Java核心基礎(chǔ)（卷二）

1.1.1 類(lèi)加載器過(guò)程

類(lèi)加載器子系統(tǒng)負(fù)責(zé)從文件系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)中加載 class 文件， class 文件在文件開(kāi)頭有特定的文件標(biāo)識(shí)(字節(jié)碼文件都以 CA FE BA BE 標(biāo)識(shí)開(kāi)頭)。classLoader 只負(fù)責(zé) class 文件的加載，至于它是否可以運(yùn)行，則由執(zhí)行引擎決定。加載的類(lèi)信息存放于一塊稱(chēng)為方法區(qū)的內(nèi)存空間。除了類(lèi)的信息外，方法區(qū)中還會(huì)存放運(yùn)行時(shí)常量池信息，可能還包括字符串字面量和數(shù)字常量（這部分常量信息是 class 文件中常量池部分的內(nèi)存映射）。

類(lèi)加載的過(guò)程

1.加載過(guò)程是把class文件（字節(jié)碼文件）加載到內(nèi)存中（I/O讀寫(xiě)）。類(lèi)加載器把文件加載到內(nèi)存中，會(huì)為每個(gè)類(lèi)創(chuàng)建一個(gè)Class類(lèi)的對(duì)象，調(diào)用Class類(lèi)中的方法獲取類(lèi)的相關(guān)信息。

2.驗(yàn)證是檢驗(yàn)加載的類(lèi)是否有正確的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并和其他類(lèi)協(xié)調(diào)一致。

3.準(zhǔn)備階段為類(lèi)的靜態(tài)屬性分配內(nèi)存，并設(shè)置默認(rèn)初始值（不包含final修飾的static常量），也不會(huì)給實(shí)例變量初始化。

4.解析是將二進(jìn)制數(shù)據(jù)中的符號(hào)引用替換成直接引用（符號(hào)引用是用一組符號(hào)描述所引用的目標(biāo)；直接引用是指向目標(biāo)的指針）。

5.類(lèi)初始化

? 5.1 什么時(shí)候初始化類(lèi)

? 1 )創(chuàng)建類(lèi)的實(shí)例，也就是 new 一個(gè)對(duì)象
? 2）訪問(wèn)某個(gè)類(lèi)或接口的靜態(tài)變量，或者對(duì)該靜態(tài)變量賦值
? 3）調(diào)用類(lèi)的靜態(tài)方法
? 4）反射
? 5）初始化一個(gè)類(lèi)的子類(lèi)（會(huì)首先初始化子類(lèi)的父類(lèi)）

? 5.2 類(lèi)的初始化順序：

? 父類(lèi)static --> 子類(lèi)static --> 父類(lèi)構(gòu)造方法 --> 子類(lèi)構(gòu)造方法

1.1.2類(lèi)加載器的分類(lèi)

1.1.2.1啟動(dòng)類(lèi)加載器（引導(dǎo)類(lèi)加載器）

是由c/c++實(shí)現(xiàn)，用來(lái)加載Java的核心類(lèi)庫(kù)

1.1.2.2擴(kuò)展類(lèi)加載器

由Java實(shí)現(xiàn)，派生于 ClassLoader 類(lèi)。上層類(lèi)加載器是引導(dǎo)類(lèi)加載器（啟動(dòng)類(lèi)加載器），加載底層類(lèi)庫(kù)

1.1.2.3應(yīng)用程序類(lèi)加載器

Java實(shí)現(xiàn)，派生于 ClassLoader 類(lèi)。上層類(lèi)加載器是擴(kuò)展類(lèi)加載器，加載自定義類(lèi)。

1.1.3 雙親委派機(jī)制

加載類(lèi)時(shí)，向上委派，交給最上層的加載器啟動(dòng)類(lèi)加載器加載核心類(lèi)庫(kù)，加載不到就用擴(kuò)展類(lèi)加載器加載底層類(lèi)庫(kù)，加載不到就用應(yīng)用程序類(lèi)加載器加載自定義類(lèi)

雙親委派機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)

1. 安全，可避免用戶自己編寫(xiě)的類(lèi)動(dòng)態(tài)替換 Java 的核心類(lèi)（自定義的類(lèi)名和Java核心類(lèi)名相同）
2. 避免全限定命名的類(lèi)重復(fù)加載(使用了 findLoadClass()判斷當(dāng)前類(lèi)是否已加載)

1.1.4沙箱安全機(jī)制

作用是防止惡意代碼污染 Java 源代碼

如果一個(gè)類(lèi)在引導(dǎo)類(lèi)加載器那里就加載到了，先找到先使用，所以就使用引導(dǎo)類(lèi)加載器里面的類(lèi)，后面的一概不能使用，這就保證了不被惡意代碼污染。

1.1.5 類(lèi)的主動(dòng)使用和被動(dòng)使用

JVM 規(guī)定，每個(gè)類(lèi)或者接口被首次主動(dòng)使用時(shí)才對(duì)其進(jìn)行初始化，有主動(dòng)使用，自然就有被動(dòng)使用。
主動(dòng)使用：

1. 通過(guò)new關(guān)鍵字被導(dǎo)致類(lèi)的初始化,這是大家經(jīng)常使用的初始化一個(gè)類(lèi)的方式,
   他肯定會(huì)導(dǎo)致類(lèi)的加載并且初始化
2. 訪問(wèn)類(lèi)的靜態(tài)變量,包括讀取和更新
3. 訪問(wèn)類(lèi)的靜態(tài)方法
4. 對(duì)某個(gè)類(lèi)進(jìn)行反射操作,會(huì)導(dǎo)致類(lèi)的初始化
5. 初始化子類(lèi)會(huì)導(dǎo)致父類(lèi)的的初始化
6. 執(zhí)行該類(lèi)的 main 函數(shù)

被動(dòng)使用：其實(shí)除了上面的幾種主動(dòng)使用其余就是被動(dòng)使用了

注意：主動(dòng)使用和被動(dòng)使用的區(qū)別在于類(lèi)是否會(huì)被初始化.

1. 引用該類(lèi)的靜態(tài)常量，注意是常量，不會(huì)導(dǎo)致初始化，但是也有意外，這里的常量是指已經(jīng)指定字面量的常量，對(duì)于那些需要一些計(jì)算才能得出結(jié)果的常量就會(huì)導(dǎo)致初始化，比如:
   public final static int number = 5 ; //不會(huì)導(dǎo)致類(lèi)初始化,被動(dòng)使用
   public final static int random = new Random().nextInt() ; //會(huì)導(dǎo)致類(lèi)的初始化,主動(dòng)使用
2. 構(gòu)造某個(gè)類(lèi)的數(shù)組時(shí)不會(huì)導(dǎo)致該類(lèi)的初始化,比如:
   Student[] students = new Student[10] ;

1.2 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

JVM 的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，不同虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)可能略微有所不同，但都會(huì)遵從 Java 虛擬機(jī)規(guī)范，Java 8 虛擬機(jī)規(guī)范規(guī)定，Java 虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存將會(huì)包括程序計(jì)數(shù)器、Java虛擬機(jī)棧、本地方法棧、Java堆、方法區(qū)。

1.2.1 程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）

JVM 中的程序計(jì)數(shù)寄存器中的 Register 命名源于CPU 的寄存器，寄存器存儲(chǔ)指令相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)信息。這里，并非是廣義上所指的物理寄存器，或許將其翻譯為 PC 計(jì)數(shù)器(或指令計(jì)數(shù)器)會(huì)更加貼切(也稱(chēng)為程序鉤子)。JVM 中的PC 寄存器是對(duì)物理 PC 寄存器的一種抽象模擬。

1. 它是一塊很小的內(nèi)存空間，幾乎可以忽略不計(jì)，但是它是運(yùn)行速度最快的存儲(chǔ)區(qū)域。
2. 在 JVM 規(guī)范中，每個(gè)線程都有它自己的程序計(jì)數(shù)器，是線程私有的，生命周期與線程生命周期保持一致。
3. 任何時(shí)間一個(gè)線程都只有一個(gè)方法在執(zhí)行，也就是所謂的當(dāng)前方法，程序計(jì)數(shù)器會(huì)存儲(chǔ)當(dāng)前線程正在執(zhí)行的Java方法的JVM指令地址。如果是在執(zhí)行native方法，則是未指定值(undefined)。
4. 它是程序控制流的指示器，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理，線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)完成。
5. 字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過(guò)改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來(lái)選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令。
6. 它是唯一一個(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.

那么為什么使用程序計(jì)數(shù)器記錄當(dāng)前線程的執(zhí)行地址呢？我們都知道CPU需要不停的切換各個(gè)線程，這時(shí)候從其他線程切換到這個(gè)線程時(shí)，根據(jù)程序計(jì)數(shù)器就知道該從哪里開(kāi)始執(zhí)行了。JVM 的字節(jié)碼解釋器就需要通過(guò)改變程序計(jì)數(shù)器的值來(lái)明確下一條應(yīng)該執(zhí)行什么樣的字節(jié)碼指令，由于這個(gè)原因，必須為每個(gè)線程分配一個(gè)程序計(jì)數(shù)器，這樣各個(gè)線程就可以互不干擾。

1.2.2 Java 虛擬機(jī)棧（Java Virtual Machine Stacks）

首先我們需要學(xué)會(huì)區(qū)分棧和堆：

棧是運(yùn)行時(shí)的單位，而堆時(shí)存儲(chǔ)的單位。

1. 棧：解決程序的運(yùn)行問(wèn)題，即程序如何執(zhí)行，或者說(shuō)如何處理數(shù)據(jù)。
2. 堆：解決的是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的問(wèn)題，即數(shù)據(jù)怎么放，放在哪兒。

1.2.2.1 Java虛擬機(jī)棧概述

每個(gè)線程在創(chuàng)建時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)虛擬機(jī)棧，其內(nèi)部保存一個(gè)個(gè)棧幀，對(duì)應(yīng)著一次方法的調(diào)用。Java 虛擬機(jī)棧是線程私有的。生命周期和線程一致。棧中的數(shù)據(jù)都以棧幀為單位存儲(chǔ)。棧幀是一個(gè)內(nèi)存區(qū)塊，是一個(gè)數(shù)據(jù)集，維系著方法執(zhí)行過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)信息。

作用：主要負(fù)責(zé)Java程序的運(yùn)行，保存方法內(nèi)的局部變量，還有部分結(jié)果，還參與方法的調(diào)用和返回。

棧是一種快速有效的分配存儲(chǔ)方式，訪問(wèn)速度僅次于程序計(jì)數(shù)器。JVM 直接對(duì) Java 棧的操作只有兩個(gè)：

1. 調(diào)用方法，進(jìn)棧。
2. 執(zhí)行結(jié)束后出棧。

注意：對(duì)于棧來(lái)說(shuō)不存在垃圾回收問(wèn)題。

1.2.2.2棧的運(yùn)行原理

1. JVM 直接對(duì) Java 棧的操作只有兩個(gè)，就是對(duì)棧幀的壓棧和出棧，遵循”先進(jìn)后出“后進(jìn)先出的原則。
2. 在一條活動(dòng)的線程中，一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，只會(huì)有一個(gè)活動(dòng)棧。即只有當(dāng)前在執(zhí)行的方法的棧幀（此時(shí)這個(gè)棧楨在棧頂）是有效地，這個(gè)棧幀被稱(chēng)為當(dāng)前棧(Current Frame)，與當(dāng)前棧幀對(duì)應(yīng)的方法稱(chēng)為當(dāng)前方法（Current Method），定義這個(gè)方法的類(lèi)稱(chēng)為當(dāng)前類(lèi)（Current Class）。
3. 執(zhí)行引擎運(yùn)行的所有字節(jié)碼指令只針對(duì)當(dāng)前棧幀進(jìn)行操作。
4. 如果在該方法中調(diào)用了其他方法，對(duì)應(yīng)的新的棧幀就會(huì)被創(chuàng)建出來(lái)，放在棧的頂端，成為新的當(dāng)前棧幀。
5. 不同線程中所包含的棧幀（方法）是不允許存在相互引用的，即不可能在一個(gè)棧中引用另一個(gè)線程的棧幀(方法)。
6. 如果當(dāng)前方法調(diào)用了其他方法，方法返回之際，當(dāng)前棧幀會(huì)傳回此方法的執(zhí)行結(jié)果給前一個(gè)棧幀，接著虛擬機(jī)會(huì)丟棄當(dāng)前棧幀，使得前一個(gè)棧幀重新成為當(dāng)前棧幀。Java 方法有兩種返回的方式，一種是正常的函數(shù)返回，使用 return 指令，另一種是拋出異常。不管哪種方式，都會(huì)導(dǎo)致棧幀被彈出.

1.2.2.3 棧幀的內(nèi)部

每個(gè)棧幀中都有：局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法返回地址、一下附加信息。

1.2.2.3.1局部變量表(Local Variables)

局部變量表用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)部定義的局部變量。

對(duì)于基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的變量，則直接存儲(chǔ)它的值，對(duì)于引用類(lèi)型的變量，則存的是指向?qū)ο蟮囊谩?/p>

1.2.2.3.2 操作數(shù)棧(Operand Stack)(或表達(dá)式棧)

程序中的所有計(jì)算過(guò)程都是在借助于操作數(shù)棧來(lái)完成的。

1.2.2.3.3 動(dòng)態(tài)鏈接(Dynamic Linking) (或指向運(yùn)行時(shí)常量池的方法引用)

因?yàn)樵诜椒▓?zhí)行的過(guò)程中有可能需要用到類(lèi)中的常量或方法，所以必須要有一個(gè)引用指向運(yùn)行時(shí)常量池。

1.2.2.3.4 方法返回地址(Return Address)(或方法正常退出或者異常退出的定義)

當(dāng)一個(gè)方法執(zhí)行完畢之后，要返回之前調(diào)用它的地方，因此在棧幀中必須保存一個(gè)方法返回地址。

1.2.2.3.5 一些附加信息

例如和調(diào)試相關(guān)的信息，這部分信息完全取決于不同的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)。

1.2.3 本地方法棧

1. Java 虛擬機(jī)棧管理 java 方法的調(diào)用，而本地方法棧用于管理本地方法的調(diào)用。

2. 本地方法棧也是線程私有的.

3. 允許被實(shí)現(xiàn)成固定或者是可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的內(nèi)存大小。

內(nèi)存溢出方面也是相同的。
如果線程請(qǐng)求分配的棧容量超過(guò)本地方法棧允許的最大容量，會(huì)拋出StackOverflowError。
如果本地方法可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，并在擴(kuò)展時(shí)無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存會(huì)拋出OutOfMemoryError。

4. 本地方法是用 C 語(yǔ)言寫(xiě)的.

1.2.4 堆內(nèi)存

堆內(nèi)存概述：

1. 一個(gè) JVM 實(shí)例只存在一個(gè)堆內(nèi)存，堆也是 Java 內(nèi)存管理的核心區(qū)域。
2. Java 堆區(qū)在 JVM 啟動(dòng)時(shí)的時(shí)候即被創(chuàng)建，其空間大小也就確定了，是 JVM 管理的最大一塊內(nèi)存空間。
3. 堆內(nèi)存的大小是可以調(diào)節(jié)。一般情況可以將起始值和最大值設(shè)置為一致，這樣會(huì)減少垃圾回收之后堆內(nèi)存重新分配大小的次數(shù)，提高效率。
4. 《Java 虛擬機(jī)規(guī)范》規(guī)定，堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，但邏輯上它應(yīng)該被視為連續(xù)的。
5. 所有的線程共享 Java 堆，在這里還可以劃分線程私有的緩沖區(qū)。
6. 《Java 虛擬機(jī)規(guī)范》中對(duì) Java 堆的描述是：所有的對(duì)象實(shí)例都應(yīng)當(dāng)在運(yùn)行時(shí)分配在堆上。
7. 在方法結(jié)束后，堆中的對(duì)象不會(huì)馬上被移除，僅僅在垃圾收集的時(shí)候才會(huì)被移除。
8. 堆是 GC(Garbage Collection，垃圾收集器)執(zhí)行垃圾回收的重點(diǎn)區(qū)域。

我們?cè)谥笤诩?xì)講堆內(nèi)存的區(qū)域劃分及垃圾回收機(jī)制

1.2.5方法區(qū)

方法區(qū)，是一個(gè)被線程共享的內(nèi)存區(qū)域。其中主要存儲(chǔ)加載的類(lèi)字節(jié)碼、class/method/field 等元數(shù)據(jù)、static final 常量、static 變量、編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。另外，方法區(qū)包含了一個(gè)特殊的區(qū)域“運(yùn)行時(shí)常量池”。
Java 虛擬機(jī)規(guī)范中明確說(shuō)明：”盡管所有的方法區(qū)在邏輯上是屬于堆的一部分，但對(duì)于HotSpotJVM 而言，方法區(qū)還有一個(gè)別名叫做 Non-Heap(非堆)，目的就是要和堆分開(kāi)。所以，方法區(qū)看做是一塊獨(dú)立于 Java 堆的內(nèi)存空間。方法區(qū)在 JVM 啟動(dòng)時(shí)被創(chuàng)建，并且它的實(shí)際的物理內(nèi)存空間中和 Java 堆區(qū)一樣都可以是不連續(xù)的。
方法區(qū)的大小：跟堆空間一樣，可以選擇固定大小或者可擴(kuò)展。
方法區(qū)的大小決定了系統(tǒng)可以保存多少個(gè)類(lèi)，如果系統(tǒng)定義了太多的類(lèi)，導(dǎo)致方法區(qū)溢出，虛擬機(jī)同樣會(huì)拋出內(nèi)存溢出的錯(cuò)誤 ：java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace。

結(jié)語(yǔ)

這次就先寫(xiě)這些，文中如果存在不對(duì)的地方，歡迎各位讀者批評(píng)指正。我會(huì)在今后更新本地方法接口、執(zhí)行引擎和垃圾回收機(jī)制等相關(guān)內(nèi)容，如果大家感興趣，可以關(guān)注博主，我們一起交流學(xué)習(xí)。

本次的分享到這里就結(jié)束了，碼字不易，如果喜歡，賞個(gè)點(diǎn)贊+評(píng)論+收藏🤞🤞🤞，感謝您的支持