jvm原理——第一篇jvm的运行模式

1、jvm简介

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，属于用户态。

2、用户态和内核态

内核态：cpu可以访问内存的所有数据，包括外围设备，例如硬盘，网卡，cpu也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。

用户态：只能受限的访问内存，且不允许访问外围设备，占用cpu的能力被剥夺，cpu资源可以被其他程序获取。

3、为什么要有用户态和内核态？

由于需要限制不同的程序之间的访问能力, 防止他们获取别的程序的内存数据, 或者获取外围设备的数据, 并发送到网络, CPU划分出两个权限等级 -- 用户态和内核态。

4、jvm基本结构

JVM是按照运行时数据的存储结构来划分内存结构的，JVM在运行java程序时，将它们划分成几种不同格式的数据，分别存储在不同的区域，这些数据统一称为运行时数据。运行时数据包括java程序本身的数据信息和JVM运行java需要的额外数据信息。

方法区：线程共享的区域，存储JVM加载的类信息（类的版本，字段，方法，接口），常量，静态变量以及即时编译后的代码等数据。方法区还有一块运行时常量池，class文件中的常量池在类加载后就被放入运行时常量池，运行时常量池相对于class文件的常量池具有动态性，可以在运行期间通过intern将常量放入运行时常量池中，方法区空间不足时会抛出OutOfMemoryError异常。

堆：线程共享的一块区域，用来存放对象实例的（由于现在有了逃逸分析技术，也可以将对象分配在栈上），该区域是垃圾回收的主要区域，垃圾回收主要是分代回收，有年轻代和老年代，堆可以是物理上不连续的区域，只要逻辑上连续即可。在堆中分配内存的方法有碰撞指针（前提是区域绝对规整，注意多线程同步问题，可以采用CAS原理加失败重试实现或者本地线程分配缓冲）和空闲列表（不是规整的内存，就是有一个表记录空闲的内存，然后分配后，从该表中去除），堆空间不足时会出现OutOfMemoryError异常。

虚拟机栈：是线程私有的，该区域所描述的是Java方法执行的动态内存模型，每个方法在执行的时候都会创建一个栈帧，用来存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息，局部变量表存放的是编译期可知的基本数据类型，引用类型，returnAddress等，局部变量表的内存在编译期完成分配，进入方法后，这个方法需在帧中分配多少内存是固定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。如果说栈帧堆满了整个栈，会出现StackOverflowError（栈溢出）异常，栈也可以申请更大的内存，如果申请不到，会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈：是为本地的native方法服务的，其他的都和虚拟机栈一样。

程序计数器：是线程私有区，是内存中一块较小的区域，是当前线程执行的字节码指令的行号指示器，如果线程执行的是Java方法，程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址，如果执行的是native方法，程序计数器存储的是undefined，此区域是内存中唯一一块没有规定任何OutOfMemoryError（内存溢出）情况的区域，为什么？因为我们不需要操作该区域，该区域是内部维护用的。

方法区：Java 虚拟机规范中定义方法区是堆的一个逻辑部分。方法区存放以下信息：已经被虚拟机加载的类信息，常量，静态变量，即时编译器编译后的代码。

5、jvm运行时数据区

程序计数器------------------------->线程私有

java虚拟机栈------------------------->线程私有

本地方法栈------------------------->线程私有

java堆------------------------->线程公有

方法区------------------------->线程公有

6、JVM内存分配

1.栈内存分配

保存参数、局部变量、中间计算过程和其他数据。退出方法的时候，修改栈顶指针就可以把栈帧中的内存销毁。

栈的优点：存取速度快，仅次于寄存器，栈数据可以共享。

栈的缺点：存在栈中的数据大小、生存期是在编译时确定的，导致其缺乏灵活性。

2.堆内存分配

堆的优点：动态地分配内存大小，生存期不必事先告诉编辑器，他在运行期动态分配的，垃圾回收器会自动收走不再使用的空间区域。

堆的缺点：

运行时动态分配内存，在分配和销毁时都要占用时间，因此堆的效率较低。

7、jvm堆结构

Java虚拟机将堆内存划分为新生代、老年代和永久代，永久代是HotSpot虚拟机特有的概念（JDK1.8之后为metaspace替代永久代），它采用永久代的方式来实现方法区，其他的虚拟机实现没有这一概念，而且HotSpot也有取消永久代的趋势，在JDK 1.7中HotSpot已经开始了“去永久化”，把原本放在永久代的字符串常量池移出。永久代主要存放常量、类信息、静态变量等数据，与垃圾回收关系不大，新生代和老年代是垃圾回收的主要区域。

1.新生代（Young Generation）

新生成的对象优先存放在新生代中，新生代对象朝生夕死，存活率很低，在新生代中，常规应用进行一次垃圾收集一般可以回收70% ~ 95% 的空间，回收效率很高。HotSpot将新生代划分为三块，一块较大的Eden（伊甸）空间和两块较小的Survivor（幸存者）空间，默认比例为8：1：1。划分的目的是因为HotSpot采用复制算法来回收新生代，设置这个比例是为了充分利用内存空间，减少浪费。新生成的对象在Eden区分配（大对象除外，大对象直接进入老年代），当Eden区没有足够的空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC。GC开始时，对象只会存在于Eden区和From Survivor区，To Survivor区是空的（作为保留区域）。GC进行时，Eden区中所有存活的对象都会被复制到To Survivor区，而在From Survivor区中，仍存活的对象会根据它们的年龄值决定去向，年龄值达到年龄阀值（默认为15，新生代中的对象每熬过一轮垃圾回收，年龄值就加1，GC分代年龄存储在对象的header中）的对象会被移到老年代中，没有达到阀值的对象会被复制到To Survivor区。接着清空Eden区和From Survivor区，新生代中存活的对象都在To Survivor区。接着， From Survivor区和To Survivor区会交换它们的角色，也就是新的To Survivor区就是上次GC清空的From Survivor区，新的From Survivor区就是上次GC的To Survivor区，总之，不管怎样都会保证To Survivor区在一轮GC后是空的。GC时当To Survivor区没有足够的空间存放上一次新生代收集下来的存活对象时，需要依赖老年代进行分配担保，将这些对象存放在老年代中。

2.老年代（Old Generationn）

在新生代中经历了多次（具体看虚拟机配置的阀值）GC后仍然存活下来的对象会进入老年代中。老年代中的对象生命周期较长，存活率比较高，在老年代中进行GC的频率相对而言较低，而且回收的速度也比较慢。

3.永久代（Permanent Generationn）

永久代存储类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据，对这一区域而言，Java虚拟机规范指出可以不进行垃圾收集，一般而言不会进行垃圾回收。

8、jvm内存结构

JVM的堆是运行时数据区，所有类的实例和数组都是在堆上分配内存。它在JVM启动的时候被创建。对象所占的堆内存是由自动内存管理系统也就是垃圾收集器回收。堆内存是由存活和死亡的对象组成的。存活的对象是应用可以访问的，不会被垃圾回收。死亡的对象是应用不可访问尚且还没有被垃圾收集器回收掉的对象。一直到垃圾收集器把这些对象回收掉之前，他们会一直占据堆内存空间。