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做了几年JAVA工程师,还不了解JVM?

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做了几年JAVA工程师,还不了解JVM?

何为JVM

JVM是Java Virtual Machine(Java虚拟机)的缩写,JVM是一种能够运行java字节码的虚拟机。作为一种编程语言的虚拟机,实际上 不只是专用于Java语言,只要生成的编译文件匹配JVM对加载编译文件格式要求,任何语言都可以由JVM编译运行。比如kotlin、scala等。

体系结构

JVM由类加载子系统、运行时数据区(内存结构)、执行引擎三个主要的子系统构成,具体如下图:

类加载机制

虚拟机把class文件加载至内存之后,对字节码数据进行校验/解析/初始化等操作,最终形成可被VM直接使用的java类型,这就是虚拟机类加载机制。

3.1 类的生命周期

类生命周期过程大概分为:加载–>校验–>准备–>解析–>初始化–>使用–>卸载;类在被“使用”之前必须进行前5个阶段,其中初始化工作可以被延迟进行,直到类需要创建实例static方法或属性被调用(非编译常量)/反射机制中使用类的成员(Member)时被触发。具体过程如下图:

3.2 类加载器的种类

类加载器负责加载所有的类,其为所有被载入内存中的类生成一个java.lang.Class实例对象。JVM预定义有三种类加载器,当一个 JVM启动的时候,Java开始使用如下三种类加载器:

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader) :负责加载JRE的核心类库,如JRE目标下的rt.jar,charsets.jar等;

扩展类加载器(Extension ClassLoader):负责加载JRE扩展目录ext中jar类包;

系统类加载器(Application ClassLoader):负责加载ClassPath路径下的类包;

自定义类加载器(Custom ClassLoader):用户可以自定义类加载器,用以加载用户自定义路径下的类包,spring-boot的热加载(devTools)工具,正是用自定义类加载器通过打破全盘委托和双亲委派机制来实现的。

3.3 加载机制

3.3.1 全盘负责委托机制

当一个ClassLoader加载一个类的时候,除非显示使用另一个ClassLoader,该类所依赖和引用的类也由这个 ClassLoader载入。

3.3.2 双亲委派机制

指先委托父类加载器寻找目标类,在找不到的情况下载自己的路径中查找并载入目标类。值得一提的是:这里的父加载器并不是使用传统的exend关键字来实现的,而是通过parent属性调用来实现的。

 双亲委派模式的优势

沙箱安全机制: 比如自己写的String.class类不会被加载,这样可以防止核心库被随意篡改。

避免类的重复加载: 当父ClassLoader已经加载了该类的时候,就不需要子ClassLoader再加载一次。

运行时数据区

4.1 方法区(Method Area)

类的所有字段和方法字节码,以及一些特殊方法如构造函数、接口代码也在这里定义。简单来说,所有定义的方法的信息都保存在该区域,静态变量+常量+类信息(构造方法/接口定义)+运行时常量池都存在方法区中,虽然JVM规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫做Non-Heap(非堆),目的应该是为了和Java的堆区分开(jdk1.8以前hotspot虚拟机叫永久代、持久代,jdk1.8之后叫元空间)。

4.2 堆(Heap)

JVM启动时自动分配创建用于存放对象的实例,几乎所有对象都在堆上分配内存,当对象无法在该空间申请到内存时将抛出OutOfMemoryError异常。同时堆也是垃圾收集器管理的主要区域。具体内存分配及回收过程参考下图:

4.2.1 新生代(Young Generation)

这是类出生、成长、消亡的区域,一个类在这里产生、应用,之后被垃圾回收器收集,结束生命。

新生代分为两部分:伊甸区(Eden space)和幸存者区(Survivor space),所有的类都是在伊甸区被new出来的。幸存区又分为From和To区。当Eden区的空间用完时,程序又需要创建对象,JVM的垃圾回收器将Eden区进行垃圾回收(Minor GC),将Eden区中的不再被其它对象应用的对象进行销毁。然后将Eden区中剩余的对象移到From Survivor区。若From Survivor区也满了,再对该区进行垃圾回收,然后移动到To Survivor区。

4.2.2 老年代(Old Generation)

新生代经过多次GC仍然存货的对象移动到老年区。若老年代也满了,这时候将发生Major GC(也可以叫Full GC),进行老年区的内存清理。若老年区执行了Full GC之后发现依然无法进行对象的保存,就会抛出 OOM(OutOfMemoryError)异常。

4.2.3 元空间(Meta Space)

在JDK1.8之后,元空间替代了永久代,它是对JVM规范中方法区的实现,区别在于元数据区不在虚拟机当中,而是用的本地内存,永久代在虚拟机当中,永久代逻辑结构上也属于堆,但是物理上不属于。

为何移除了永久代?

参考官方解释http://openjdk.java.net/jeps/122。大概意思是移除永久代是为融合HotSpot与JRockit而做出的努力,因为JRockit没有永久代,不需要配置永久代。

4.3 栈(Stack)

Java线程执行方法的内存模型,一个线程对应一个栈,每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(用于存储局部变量表,操作数栈,动态链接,方法出口等信息)不存在垃圾回收问题,只要线程一结束该栈就释放,生命周期和线程一致。

4.4 本地方法栈(Native Method Stack)

和栈作用很相似,区别不过是Java栈为JVM执行Java方法服务,而本地方法栈为JVM执行native方法服务。登记native方法,在Execution Engine执行时加载本地方法库。

4.5 程序计数器(Program Counter Register)

就是一个指针,指向方法区中的方法字节码(用来存储指向吓一跳指令的地址,也即将要执行的指令代码),由执行引擎读取下一条指令,是一个非常小的内存空间,几乎可以忽略不计。

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