深入理解Java虚拟机

一、为什么要学习Java虚拟机？

这里我们使用举例来说明为什么要学习Java虚拟机，其实这个问题就和为什么要学习数据结构和算法是一个道理，工欲善其事，必先利其器。曾经的我经常害怕处理内存溢出的问题，因为不知道他为什么会出现这个问题，当我在看了这本书以后明白了垃圾回收算法，以及JVM是如何帮助我们处理GC的，这个时候当出现这个问题的时候我就明白需要查找GC Root，或者查看GC日志，去查找这个问题的根源，这样就能处理这些问题。还有以前的在理解重载和重构的时候只是在表面去理解，当我看完这本书明白，原来在方法调用时候这些东西就生成处理，另外还有一个new到底经历那些事情等等一序列问题，如果你还在就纠结一些问题为什么是这么处理的时候那你就去看Java虚拟机吧，或许会有不一样的感悟，以上就是为什么要学习Java虚拟机的原因，可能有部分解释的不是很全面，我想在感悟方面在仔细说一下这个问题。

二、感悟？

其实也算不上什么感悟，只是对一些问题认识更加深刻而已，这里面我们来谈一下GC，要探讨这个问题我们需要从4个方面入手:

1.JVM是如何分配内存的？

2.如何才能保证正确的回收？

3.JVM什么情况下触发GC以及GC的方式？

４.如何监控和优化GC？

首先从JVM内存分布开始：下图是JVM内存分布图

１.线程计数器，是一块较小的内存空间，用来指定当前线程执行字节码的行数，每个线程计数器都是私有的，因为每个线程都需要记录执行的行数；这里解释一下为什么每个线程都需要一个线程计数器，JVM的多线程是通过线程轮流切换分配执行时间来实现的，在任何时刻，每个处理器都只会执行一个线程中的指令，当线程进行切换的时，为了线程能恢复当正确的位置，所以每个线程必须有个独立的线程计数器，这样才能保证线程之间不互相影响。

这里注意下，如果线程执行是一个Java方法的时候，计数器记录的是虚拟机字节码指令的地址；当执行的是Native的方法的时候，计数器指令为空；该内存区域是Java虚拟机唯一没有规定任何OutOfMemoryError的区域。

２.Java虚拟栈，这个也是一个线程私有的，生命周期与线程是同步的，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，方法出入口等信息，每个方法的调用到执行完成的过程就是一个栈帧入栈到出栈的过程；

这里解释一下局部变量表，局部变量表存储方法相关的局部变量，包括基本数据，对象引用和返回地址等。在局部变量表中，只有long和double类型会占用2个局部变量空间（Slot，对于32位机器，一个Slot就是32个bit），其它都是1个Slot。需要注意的是，局部变量表是在编译时就已经确定好的，方法运行所需要分配的空间在栈帧中是完全确定的，在方法的生命周期内都不会改变。这部分东西我还想等下一篇博客的时候我想仔细说一下字节码的执行过程；

虚拟机栈规定了２种异常情况，一种是线程请求栈的深度大于虚拟机栈所允许的深度，这时候将会抛出StackOverflowError异常，如果当Java虚拟机允许动态扩展虚拟机栈的时候，当扩展的时候没办法分配到内存的时候就会报OutOfMemoryError异常；

3.本地方法栈，与虚拟机栈执行的基本相同，唯一的区别就是虚拟机栈是执行Java方法的，本地方法栈是执行native方法的；

4.Java堆，堆区是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，Java堆是被所有线程共享的内存区域，主要存储对象的实例。

当堆中没有内存完成实例分配，并且堆无法扩展的时候，将会抛出OutOfMemoryError异常；当前虚拟机都是可以扩展的；

5.方法区，这个也是线程共享的内存区域，存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译的代码数据等；

方法区在物理上也是不需要连续的，可以选择固定大小或者扩展的大小，还可以选择不实现垃圾收集，方法区的垃圾回收是比较少的，这就是方法区为什么被称为永久区的原因，但是方法区也是可以执行回收的，该区域主要是针对常量池和类型的卸载；在方法区也规定当方法区无法满足内存分布的时候，将会抛出OutOfMemoryError异常；

运行时常量是方法区的一部分，常量池主要用于存放编译生成的各种字面量和符合引用，由于常量池属于方法区的一部分，所以当常量池没有内存空间的时候就抛出OutOfMemoryError异常；

6.直接内存，不是虚拟机运行时的一部分，可以直接访问堆外的内存；所以当内存空间无法动态扩展的时候就会出现OutOfMemoryError异常；

以上基本是JVM内存分布的内容，简单的理解水满则溢出就是这个道理，系统的整个空间是一个大的容器，分不同的部分或者桶去分担整个容量，当那个桶不够的时候自然会溢出。明白内存区域的分布我们看下对象是如何分配在内存空间里面的?

Java对象这里指的是引用类型的对象，这里用Student stu=new Student()为例子访问，Student stu作为引用对象，存在与Java虚拟机栈上，new Student()保存在Java堆中，堆中记录Student类型的信息包括方法，接口，对象类型等地址，这些类型的执行的数据存储在方法区中；

这里需要说明一下对象访问的方式，主要包括2种句柄访问和直接指针访问：

1.句柄访问主要是Java堆中划分一块句柄池，虚拟机栈中存放句柄池中的地址，句柄池中包括对象的实例数据和对象类型的数据的地址，基本分布如下图：

2.直接指针访问，就是虚拟机栈直接指向Java堆中的对象类型指针和对象的实例数据，然后对象类型指针在指向方法区中对象类型的实例数据，分布如下图：

HotSpot就是第二种访问方式，优点在于访问速度快，省去一次指针开销时间，JVM内存分布基本介绍到这里，接下来说下如何保证正确回收？

回收是已经没有用的对象，那怎么判断一个对象没用引用？这里需要简单介绍2种方法:引用计数法和可达性分析算法；

这里简单说一下引用计数法：对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用计数器就增加1，引用失效就减少1，计数器为0就不可用；缺点就在于无法处理对象直接相互引用的问题，因为相互引用以后无法使计数器为0，所以无法回收；

可达性分析算法，也就是我们常说的GC Root,，当一个对象没有与任何引用链相连的时候，就可以对该对象进行回收，下面是Java中GC Root对象使用的几个地方：

以上对象简单就是分为可用和不可用这2种，现在Java对引用概念进行扩充：

明白这些我们基本明白JVM如何正确回收，接下来就是JVM什么情况下触发GC以及GC触发的方式?

第一个问题比较容易回答当然是当内存空间不足的时候就需要触发GC，GC回收的时候采用的是分代收集的算法，主要分为年轻代和老年代，接下来我们简单介绍一下这2种方式：

年轻代：当一个对象被创建的时候，内存分配首先分配在年轻代，大部分对象创建以后都不再使用，对象很快变得不可达，就是对象无用，由于垃圾是被年轻代清理掉的，所以被叫做Minor GC或者Young GC。

老年代:对象如果在年轻代存活了足够长的时间而没有被清理掉（即在几次Young GC后存活了下来），则会被复制到年老代，年老代的空间一般比年轻代大，能存放更多的对象，在年老代上发生的GC次数也比年轻代少。当年老代内存不足时，将执行Major GC，也叫Full GC。

明白这2块主要存放什么东西以后接下来我们看下GC的整体结构，看一个对象如何被Kill掉的流程：

1.当一个对象被创建的时候(new)首先会在年轻代的Eden区被创建，直到当GC的时候，根据可达性算法，看一个对象是否消亡，没有消亡的对象会被放入年轻带的Survivor区，消亡的直接被Minor GC Kill掉；

2.进入到Survivor区的对象也不是安全的，当下一次Minor GC来的时候还是会检查Enden和Survivor存放对象区域中对象是否存活，存活放入另外一块Survivor区域；

3.当2个Survivor区切换几次以后，会直接进入老年代，当然进入到老年代也不是安全的，当老年代内存空间不足的时候，会触发Major GC,已经消亡的依然还是被Kill掉；

接下来我们还需要说一下GC的算法：标记--清除，复制，标记--整理这3种算法；

以上就是极悦小编介绍的"深入理解Java虚拟机"，希望对大家有帮助，如有疑问，请在线咨询，有专业老师随时为您服务。