1. JVM介紹 

1.1 什么是JVM？

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的簡稱，是一種用于計算設備的規(guī)范，是一個虛構(gòu)出來的計算機，通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現(xiàn)的。

1.2 JVM的優(yōu)點 

1.2.1 一次編寫，到處運行。

JVM可以讓java程序，一次編寫，導出運行。讓底層代碼和運行環(huán)境分離開，編寫好一份代碼后，不用再次修改內(nèi)容，只用通過安裝不同的JVM環(huán)境自動進行轉(zhuǎn)換即可運行，在各種系統(tǒng)中無縫連接。

1.2.2 自動內(nèi)存管理，垃圾回收機制。

在Java誕生之時，C和C++稱霸天下，但是這兩種語言中沒有內(nèi)存管理機制，是通過手動操作來進行的管理，非常麻煩和繁瑣。

此時Java應運而生,為了處理內(nèi)存管理這個方面，專門設計了垃圾回收機制，來自動進行內(nèi)存的管理。極大的優(yōu)化了操作，讓程序員們不用正在噼里啪啦在碼代的海洋中遨游時，還要操心內(nèi)存會不會溢出這些“影響我方輸出”的問題，頓時獲得了成噸的好評。

1.2.3 數(shù)組下標越界檢查

在Java誕生之時，還有個讓當時C和C++大佬頭疼的問題是，數(shù)組下標越界是沒有檢查機制的，這還了得，又是一個影響“我方暴力輸出”的罪魁禍首，因此JVM繼續(xù)抱著暖男的思想，又來了個愛的抱抱。

JVM又一次看見了大佬們的煩惱，果斷提供了數(shù)組下標越界的自動檢查機制，在檢測到數(shù)組下標出現(xiàn)越界后，會在運行時自動拋出“java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException”這個異常，在當時可是感動了很多業(yè)界大佬（我猜的）。

1.2.4 多態(tài)

JVM還有一個多態(tài)功能，是通過相同接口，不同的實例進行實現(xiàn)，完成不同的業(yè)務操作，比如：定義了一個動物接口（里面有一個吃的方法），我們就可以通過這個動物創(chuàng)造小貓（吃魚），再創(chuàng)造一個狗狗（吃肉），再創(chuàng)造一個小助手（吃零食，O(∩_∩)O哈哈~）。

仔細想想，對我們有啥影響呢，那好處老多了，比如：

（1）消除類型之間的耦合關(guān)系；

（2）可替換性；

（3）可擴充性；

（4）接口性；

（5）靈活性；

（6）簡化性；

1.3 JVM、JRE、JDK之間的關(guān)系 

1.3.1 JVM的簡介

JVM是Java Virtual Machine的簡稱，是Java虛擬機，是一種模擬出來的虛擬計算機，它通過在不同的計算機環(huán)境當中模擬實現(xiàn)計算功能來實現(xiàn)的。

引入Java虛擬機后，Java語言在不同平臺上運行時就不需要重新編譯。在其中，Java虛擬機屏蔽了與具體平臺的相關(guān)信息，使得Java源程序在編譯完成之后即可在不同的平臺運行，達到“一次編譯，到處運行”的目的，Java語言重要的特點之一跨平臺，也即與平臺的無關(guān)性，其關(guān)鍵點就是JVM。

1.3.2 JRE的簡介

JRE是Java Runtime Environment的簡稱，是Java運行環(huán)境，是讓操作系統(tǒng)運行Java應用程序的環(huán)境，其內(nèi)部包含JVM，也就是說JRE只負責對已經(jīng)存在的Java源程序進行運行的操作，它不包含開發(fā)工具JDK，對JDK內(nèi)部的編譯器、調(diào)試器和其它工具均不包含。

1.3.3 JDK的簡介

JDK是Java Development Kit的簡稱，是Java開發(fā)工具包，是整個Java程序開發(fā)的核心。其主要包含了JRE、Java的系統(tǒng)類庫以及對Java程序進行編譯以及運行的工具，例如：javac.exe和java.exe命令工具等。

1.4 JVM的常見實現(xiàn)

Oracle（Hotspot、Jrockit）、BEA（LiquidVM）、IBM（J9）、taobaoVM（淘寶專用，對Hotspot進行了深度定制）、zing（垃圾回收機制非?？?，到達1毫秒左右）。

1.5 JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖

當Java程序編譯完成為.class文件==》類加載器（ClassLoader）==》將字節(jié)碼文件加載進JVM中；

1.5.1方法區(qū)、堆

方法區(qū)中保存的主要是類的信息（類的屬性、成員變量、構(gòu)造函數(shù)等）、堆（創(chuàng)建的對象）。

1.5.2虛擬機棧、程序計數(shù)器、本地方法棧

堆中的對象調(diào)用方法時，方法會運行在虛擬機棧、程序計數(shù)器、本地方法棧中。

1.5.3執(zhí)行引擎

執(zhí)行方法中代碼時，代碼通過執(zhí)行引擎執(zhí)行中的“解釋器”執(zhí)行；方法中經(jīng)常調(diào)用的代碼，即熱點代碼，通過“即時編譯器”執(zhí)行，其執(zhí)行速度非?？?。

1.5.4 GC（垃圾回收機制）

GC是針對堆內(nèi)存中沒有引用的對象進行回收，可以手動也可以自動。

1.5.5本地方法接口

因為JVM不能直接調(diào)用操作系統(tǒng)的功能，只能通過本地方法接口來調(diào)用操作系統(tǒng)的功能。

2. JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)-程序計數(shù)器 

2.1 程序計數(shù)器的定義

Program Counter Register即程序計數(shù)器（寄存器），用于記錄下一條Jvm指令的執(zhí)行地址。

2.2 操作步驟

javap主要用于操作JVM，javap -c 是對java代碼進行反匯編操作。下圖為通過先編譯demo.java后，再執(zhí)行javap -c demo的輸出結(jié)果：

其中第一列為二進制字節(jié)碼，即JVM指令，第二列為java源代碼。第一列中的序號為JVM指令的執(zhí)行地址。

JVM會通過程序計數(shù)器記錄下一條需要執(zhí)行的JVM指令的地址（比如第一行的0），然后交給解釋器解析為機器碼，最后交給cpu（只能識別機器碼），完成一行的執(zhí)行。

想要執(zhí)行下一行，繼續(xù)讓JVM的程序計數(shù)器記錄下一條地址（比如第二行的3），再交給解釋器解析后給cpu，以此類推執(zhí)行結(jié)束。

2.3 特點 

2.3.1 線程私有的 

2.3.2 不會存在內(nèi)存溢出 

3. JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)-虛擬機棧 

3.1 定義

虛擬機棧是每個線程運行所需要的內(nèi)存空間，每個棧中由多個棧幀組成，每個線程中只能有一個活動棧幀（對應當前正在執(zhí)行的方法），所有棧幀都遵循后進先出，先進后出的原則。

棧幀是每次調(diào)用方法時所占用的內(nèi)存，在棧幀中保存的內(nèi)容參數(shù)、局部變量、返回地址。

注1：垃圾回收不涉及棧內(nèi)存，因為棧內(nèi)存是由方法調(diào)用產(chǎn)生的，當方法調(diào)用結(jié)束后會彈出棧。

注2：棧內(nèi)存不是分配的越大越好，因為物理內(nèi)存是一定的，棧內(nèi)存越大，可以支持更多的遞歸調(diào)用，但是可執(zhí)行的線程數(shù)會越來越少。

注3：方法的局部變量，當其沒有逃離方法的作用范圍時，是線程安全的；如果其引用了對象（比如靜態(tài)變量，即共享變量，用對象作為參數(shù)的方法，返回值為對象的方法），并且逃離出了方法的作用范圍，就需要考慮線程安全的問題了。

3.2 棧內(nèi)存溢出

3.2.1 發(fā)生原因

（1）虛擬機棧中，棧幀過多（無限遞歸），如圖1棧幀過多；

（2）每個棧幀所占用過大，如圖2 棧幀過大。

3.2.2 棧內(nèi)存溢出小實驗

3.2.2.1 棧幀過多的小實驗

無限遞歸調(diào)用（棧幀過多）的小實驗，method1()方法在主方法中無限調(diào)用自己，那么會發(fā)生什么情況呢？

答案很明顯，程序崩潰了，產(chǎn)生了棧內(nèi)存溢出錯誤，如下圖所示：

-Xss:該參數(shù)規(guī)定了每個線程虛擬機棧的大小；

接著我們通過設置一個虛擬機棧的大小是256k試試會發(fā)生什么？

我們發(fā)現(xiàn)當我們調(diào)整了虛擬機棧的大小后執(zhí)行了4315次方法后內(nèi)存就溢出了，而調(diào)整虛擬機棧之前，我們是23268次，很明顯我們可以通過-Xss參數(shù)調(diào)整虛擬機棧的大小來控制內(nèi)存的溢出情況。

3.2.2.2 線程運行診斷小實驗

想象中的場景，大佬在瘋狂輸出，突然CPU爆表了，顯示CPU占用過多，如何去定位哪行代碼的問題，是的是哪行（大佬都很忙的好嗎，當然要精確了，一分鐘幾千萬上下的，O(∩_∩)O哈哈~）？

Linux環(huán)境下：

在后臺運行Stack_6這個java字節(jié)碼（.class）文件：

注：無論是否將nohup命令的輸出重定向到終端,輸出都將附加到當前目錄的 nohup.out 文件中。

（1）通過top命令，查看進程（相當于任務管理器），發(fā)現(xiàn)了一個占用CPU達到100%的可疑家伙，這還了得，趕緊瞅瞅具體發(fā)生了什么，還有沒有王法，這讓其他小伙伴還怎么愉快的玩耍，秒速糾錯ING。。。

注：top命令，查看哪個進程占用CPU過高，返回進程號。

（2） 通過ps H -eo pid,tid ,%cpu | grep 命令過濾任務管理器中的內(nèi)容。

注：ps H -eo pid,tid,%cpu |grep，是通過ps命令查看哪個線程占用CPU過高，返回進程id，其中pid為進程id，tid為線程id，%cpu為CPU占用情況；

發(fā)現(xiàn)了罪魁禍首，這一串串心驚肉跳的紅色。。。

（3） 通過jstack 進程id查看，20389這個有問題的進程中具體的情況。

注：jstack 進程id，是通過jstack 命令定位具體哪段代碼出現(xiàn)占用CPU過高，注意jstack命令查找的線程id是16進制的，需要轉(zhuǎn)換；

發(fā)現(xiàn)里面有一堆執(zhí)行的代碼，那么我們怎么找到具體是哪個家伙搞事情的呢？上圖我們可以發(fā)現(xiàn)搞事情的線程是20441，那么我們通過計算器將20441轉(zhuǎn)換為16進制的4FD9再去試試，真相只有一個。

通過對比nid（線程id）4fd9，我們發(fā)現(xiàn)這個叫thread1的線程一直在運行（RUNNABLE狀態(tài)），并且查看到位置是位于Stack_6.java文件的第11行出現(xiàn)的問題。。。

現(xiàn)在我們回到源碼中，在Stack_6文件的第11行，我們發(fā)現(xiàn)原來這里一直在執(zhí)行死循環(huán)，終于找到你，還好我沒放棄，奈斯~

4. JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)-本地方法棧 

4.1 定義

由于Java本身有時候是無法直接和操作系統(tǒng)底層交互的，但有時候需要Java調(diào)用本地的C或C++方法，所以此時本地方法棧應運而生，它們是一類帶有native關(guān)鍵字的方法。

5. JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)-堆 

5.1 定義

Heap堆：是通過new關(guān)鍵字創(chuàng)建的對象存放在堆中

5.2 特點 

5.2.1線程共享

堆中存放的對象都是線程共享的，因此都是需要考慮線程安全問題的。

5.2.2有垃圾回收機制

因為堆中存放的對象存放了大量的對象，因此給他配了個小助手——垃圾回收機制（可以調(diào)自動擋和手動擋哦~）。

5.3 堆內(nèi)存溢出小實驗 

5.3.1 修改堆內(nèi)存大小參數(shù)的小實驗

繼續(xù)幻想一個場景，當一個大佬開發(fā)完一個段代碼的時候（當然一般大佬都是很自信的，我寫的代碼怎么可能有問題，不存在的。。。），但是測試可跑不了，穩(wěn)妥起見咱們還是默默得搞測試試試嘛，安全第一。但是機器的內(nèi)存就這么大，大佬肯定跑了很多次了，都沒出現(xiàn)問題的，這不是找茬嘛。。。還是默默改下機子參數(shù)再試試吧（想去懟大佬，一定要拿出證據(jù)嘛~）。

-Xmx：JVM調(diào)優(yōu)參數(shù)之一，該參數(shù)表示java堆可以擴展到的最大值。下面上案例：

在執(zhí)行了26次之后，果斷的后臺報了堆內(nèi)存溢出錯誤。

下面通過-Xmx JVM調(diào)優(yōu)參數(shù)將堆內(nèi)存調(diào)小至8m，再試試會發(fā)生什么呢？

操作基本和棧內(nèi)存溢出的時候的案例一樣，次數(shù)明顯變小了，只調(diào)用了17次就出現(xiàn)了堆內(nèi)存溢出錯誤了。

5.3.2 堆內(nèi)存診斷的小實驗

jps工具:查看當前系統(tǒng)中有哪些java進程

jmap工具：查看堆內(nèi)存的占用情況jmap -heap 進程id

jconsole工具：圖形化的工具，擁有多功能的監(jiān)測功能，可以連續(xù)監(jiān)測。

下面我們通過運行代碼后通過jconsole可視化圖形工具，來查看堆內(nèi)存的使用情況。

上圖我們可以看到，在我們創(chuàng)建10mb的數(shù)組對象時，內(nèi)存使用有一定上升；然后在我們手動調(diào)用垃圾回收機制后，內(nèi)存又得到了很大的釋放。

6. JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)-方法區(qū) 

6.1 定義

Java虛擬機中有一個被所有jvm線程共享的方法區(qū)。方法區(qū)有點類似于傳統(tǒng)編程語言中的編譯代碼塊或者操作系統(tǒng)層面的代碼段。它存儲著每個類的構(gòu)造信息，譬如運行時的常量池，字段，方法數(shù)據(jù)，以及方法和構(gòu)造方法的代碼，包括一些在類和實例初始化和接口初始化時候使用的特殊方法。

方法區(qū)有個別稱non-heap(非堆)，可以看作是一塊獨立于堆的內(nèi)存空間，是JVM規(guī)范中定義的一個概念，用于存儲類信息、常量池、靜態(tài)變量，JIT編譯后的代碼等數(shù)據(jù)，具體放在哪里，不同的實現(xiàn)可以放在不同的地方。

6.2 特點

（1）方法區(qū)與java堆一樣，是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域；

（2）方法區(qū)在JVM啟動的時候被創(chuàng)建；

（3）方法區(qū)的大小，跟堆空間一樣，可以選擇固定大小或擴展；

（4）方法區(qū)的大小決定了系統(tǒng)可以保存多少個類，如果系統(tǒng)定義了太多的類，導致方法區(qū)溢出，虛擬機同樣會拋出溢出錯誤OutOfMemoryError；

（5）關(guān)閉JVM就會釋放這個區(qū)域的內(nèi)存。

6.3 JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)示意圖

在JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)1.6的時候，方法區(qū)保存在內(nèi)存結(jié)構(gòu)中，叫做永久代，里面存儲了運行時的常量池（包含串池StringTable）、類的信息、類加載器；

在JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)1.8的時候，方法區(qū)做為一個概念，保存在本地內(nèi)存中，叫做元空間，里面存儲了運行時的常量池、類的信息、類加載器，此時串池（StringTable）儲存在堆之中。

總結(jié)

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容！

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