JVM篇1：[-結構綜述-]

張風捷特烈發表於2019-05-05
JVM

Java虛擬機器 (JVM--Java Virtual Machine)

前言

對java虛擬機器的介紹文章多如牛毛，寫本文目的在於梳理一下，也方便以後翻來看看。  
另外網上文章的圖都挺醜的，本文90%的圖都出於在下親筆，如圖有錯誤，請指出，定當立即更正  
本文主要介紹一下Java虛擬機器的抽象結構以及一些基礎的概念
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一、幾個概念簡介

1.JDK、JRE、JVM
有了JRE就能執行java程式，如果只是執行軟體，裝個JRE就行了。
我們一般說java8，java10都是指的JDK，是java開發者使用的工具集，是一個大的概念，下面是java8的JDK組成
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java8.png

2.JDK、JRE、JVM的關係

JDK：Java 語言的軟體開發工具包(Java Development Kit)
JRE： Java執行時環境(Java Runtime Environment)
JVM： Java虛擬機器(Java Virtual Machine)

jdk-jre-jvm.png

3.歷史上的java虛擬機器型別

虛擬機器即：模擬計算機功能,並提供統一操作介面，從而實現程式碼在不同平臺的一致性。
從本質上來看，JVM是一個抽象介面，它有很多實現(如下)，而這些實現也只是應用程式而已。
Java發展至今JVM也有過更新迭代，也有基於不同場景下使用的JVM。

JVM篇1：[-結構綜述-]

Sun Classic VM 第一款商用Java 虛擬機器，純直譯器方式執行java程式碼。（已退出歷史舞臺）
EXact VM 編譯器直譯器混合工作，很快被HotSpot VM取代（已退出歷史舞臺）
HotSpot VM 沿用至今
KVM 手機端----效率低（已退出歷史舞臺）
JRockit 專注服務端應用
J9 IBM公司
Microsoft JVM windows----平臺專用（已退出歷史舞臺）
Taobao VM 淘寶根據HotSpot VM定製
Dalvik 安卓虛擬機器，暫存器架構，執行.dex檔案(.class-->.dex)
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4.Java虛擬機器結構

虛擬機器的內部體系結構

二、Java虛擬機器結構簡述

1..class檔案和類載入器
1-1. .class檔案

如果對class感興趣，可以詳見官方文件，對class檔案介紹的非常細緻，以後會寫個專篇，這裡不深入。
java第一天便知道javac命令能將.java生成.class檔案，然後就上手IDE，基本也就與class檔案無緣了

class.png

編譯和執行.png

1-2.類載入器子系統

關於類載入器子系統這裡展示也不深入，只要知道考它將java位元組碼檔案載入JVM即可
詳見：JVM篇2：[-載入器ClassLoader-]

java檔案編譯和執行.png

2.執行時資料區
2-1. 程式計數器
當前執行緒私有,即每一個執行緒都有一個，通過改變它來選取下一條需要執行的位元組碼指令 
記憶體空間較小，JVM中唯一不會出現OutOfMemoryError情況
如果該執行緒正在執行一個本地方法，那麼此時程式計數器的值是“undefined”
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2-2. Java虛擬機器棧
調節引數：-Xss = 
---->[1.棧幀(StatckFrame)]-------------------------------------------
|--- 一個執行緒的每個方法在執行的同時，都會建立一個棧幀。  
|--- 棧幀中儲存的有區域性變數表、操作站、動態連結、方法出口等。  
|--- 當方法被呼叫時，棧幀入棧，當方法執行完成時，棧幀出棧。

---->[2.其他相關]-------------------------------------------
|--- 存取的速度快，僅次於暫存器
|--- 儲存著方法的相關區域性變數，包括各種基本資料型別，物件的引用，返回地址等。  
|--- 區域性變數表的記憶體空間在編譯器完成分配，執行期不能改變其大小

---->[3.異常相關]-------------------------------------------
棧溢位：    Java虛擬機器會丟擲StackOverflowError
記憶體溢位：  建立/動態擴充套件時沒有足夠的記憶體建立對應的Java虛擬機器棧，丟擲OutOfMemoryError異常
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Java虛擬機器棧中區域性變數表.png

Java虛擬機器棧中方法出入棧.png

2-3. Java虛擬機器棧``本地方法棧
當前執行緒私有,本地方法棧支援Native方法呼叫
HotSpot VM將本地方法棧和Java虛擬機器棧合二為一
異常情況：StackOverflowError和OutOfMemoryError
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關於執行緒私有和執行緒間共享，詳見：Java記憶體模型(JMM--Java Memory Model)

2-4.方法區
-XX:PermSize = 
-XX:MaxPermSize = 
---->[1.基本介紹]-------------------------------------------
當前執行緒共享區域：用於儲存已經被虛擬機器載入的[類資訊]（即載入類時需要載入的資訊，
包括版本、field、方法、介面等資訊）、final常量、靜態變數、編譯器即時編譯的程式碼等。  

---->[2.執行時常量池]-------------------------------------------
|---用於儲存編譯期就生成的字面常量、符號引用、翻譯出來的直接引用  
|---儲存在執行時產生的常量（比如String類的intern方法，作用是String維護了一個常量池，如果呼叫的字元“abc”已經在常量池中，則返回池中的字串地址，否則，新建一個常量加入池中，並返回地址)

[符號引用]:編碼是用字串表示某個變數、介面的位置，直接引用就是根據符號引用翻譯出來的地址，將在類連結階段完成翻譯 

---->[3.異常相關]-------------------------------------------
異常情況：OutOfMemoryError異常。 
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方法區-執行時常量池.png

方法區、永久帶和元空間簡介

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方法區(Method Area)：jvm規範裡面的執行時資料區的一個組成部分(介面層面)
永久帶(Perm)：jdk7及之前的版本含有,是方法區的具體實現。(實現層面)
元空間(Metaspace)：jdk8及之後的版本含有,是方法區的具體實現。(實現層面) # 元空間使用本地記憶體,不在JVM中

其實理解起來也不難:先定義和使用介面,再用具體實現完成工作。
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2-5.Java堆

Java堆的結構.png

Java 堆：存放物件
    |---新生代:儲存新生的物件
        |--- Eden(E區):存放JVM中剛生成的Java物件
        |--- Survivor(S區)
            |--- FromSpace (S0)
            |--- ToSpace (S1)
    |---老年代:儲存長期存活的物件
        |--- 年齡達標(新生代中GC下存活的次數)，可通過 -XX:MaxTenuringThreshold 指定
        |--- 超大物件,直接進入老年代 。 

非堆：儲存程式執行時長期存活的物件，比如類的後設資料、方法、常量、屬性等。
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-XX:NewSize=        新生代大小
-XX:SurvivorRatio=  E區與兩個S區的比值 預設 8:2
-XX:NewRatio=       新生代和老年代的比值  
-XX:MaxTenuringThreshold 進入老年代年齡閥值

-Xms 初始堆大小 : 預設是實體記憶體的1/64
-Xmx 最大堆大小 : 預設是實體記憶體的1/4
-XX:PermSize= 非堆記憶體初始值: 預設是實體記憶體的1/64
-XX:MaxPermSize= 最大非堆記憶體: 預設是實體記憶體的1/4
堆大小：新生代 + 老年代 + 持久代
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三、堆與垃圾回收機制

Minor GC ： 清理新生代
Full GC  ： 清理整個堆空間
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1：MinorGC
一般新建立物件進入E區，當E區記憶體用完後，觸發MinorGC。
存活的物件最終進入SurvivorFrom
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2.Survivor的兩個區域From和To
1.當E區再度裝滿
2.觸發MinorGC回收
3.存活的物件(包括From中)複製存放入To
4.To和From調換名稱
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3.幾個小問題:
[1].為什麼要分新生代和老年代?
|--- 物件的生存狀況不同,使用不同的回收演算法，優化GC效能
|--- 在新生代物件可能被頻繁建立或銷燬(朝生夕死),老年代物件回收較少

[2].Survivor區存在的意義? 
提高物件進入老年代的門檻,減少FullGC 的次數(FullGC很耗時)

[3].S0和S1有什麼作用?  
避免Survivor區空間的碎片化
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四、垃圾回收演算法

垃圾物件的判定
    |---引用計數法
    |---可達性分析
回收演算法
    |---標記清除
    |---複製
    |---標記整理
    |---分代收集
垃圾回收器：
    |---Serial
    |---Parnew
    |---CMS
    |---G1
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1.垃圾物件的判定
1-1.引用計數法
在物件中新增引用計數器，當該物件被引用時，引用計數器+1，引用失效時，計數器-1
物件迴圈引用會失效
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1-1.可達性分析

Java中GC Root包括:

[1].虛擬機器棧中的引用的物件。
[2].方法區中的類靜態屬性引用的物件。
[3].方法區中的常量引用的物件。
[4].本地方法棧（jni）即一般說的Native的引用物件。
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一個物件和GC Root之間沒有連結，那麼該物件可回收
比如ObjC和ObjB之間的連線斷開,橙色區域的物件可回收

2.回收演算法
2-1: 標記-清除(Mark-Sweep)

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---->[方式]----------------------------------
[1].標記出所有需要存活的物件
[2].標記完成之後統一回收掉未被標記的物件。

---->[缺點]----------------------------------
[1].標記和清除效率都不高。
[2].會產生大量的不連續的記憶體碎片。
大量空間碎片的缺點:當程式需要為較大物件分配記憶體時,無法找到足夠的連續記憶體而出發GC。
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2-2:標記-整理(Mark-Compact)

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---->[方式]----------------------------------
[1].標記出所有存活的物件
[2].讓所有存活的物件都向一端移動,在移動過程中清理掉未標記的物件

---->[優劣]----------------------------------
優：不會產生大量不連續記憶體碎片問題
劣：要執行較多的複製操作，效率將會變低,不適合存活率高的情況
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2-3: 複製演算法(Copy)

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---->[方式]----------------------------------
[1].將可用記憶體按容量分成大小相等的兩塊，每次只使用其中一塊。
[2].回收時,將記憶體中存活的物件複製到另一塊記憶體,然後清理掉該記憶體空間

---->[優劣]----------------------------------
優：無空間碎片，實現簡單，執行高效
劣：可使用的記憶體降為原來一半
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2-4：分代收集

這不是什麼演算法，而是根據不同的代來使用何時的演算法

新生代:可回收物件較多，回收率大。
    |--- 複製演算法，高效，無碎片，從E區到S區。
老年代:可回收物件少,回收率低。
    |--- 標記-整理演算法,無碎片。
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3.垃圾回收器簡介
---->[新生代回收器：minor GC]----------------------------
[1].Serial（序列GC）-複製
[2].ParNew（並行GC）-複製
[3].Parallel Scavenge（並行回收GC）-複製

---->[老年代回收器：full GC]----------------------------
[4].Serial Old（MSC）（序列GC）-標記-整理
[5].CMS（併發GC）-標記-清除
[6].Parallel Old（並行GC）--標記-整理

---->[G1獨立完成]-------------------------------
[7].G1（JDK1.7+）
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好了，綜述就到這裡，具體詳情可見接下來的各篇專題。

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