JVM概述

什么是JVM

JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java运行环境)，也就是Java平台。所有的Java 程序都要在JRE下才能运行。

JDK(Java Development Kit)是程序开发者用来来编译、调试java程序用的开发工具包。JDK的工具也是Java程序，也需要JRE才能运行。为了保持JDK的独立性和完整性，在JDK的安装过程中，JRE也是安装的一部分。所以，在JDK的安装目录下有一个名为jre的目录，用于存放JRE文件。

JVM(JavaVirtualMachine，Java虚拟机)是JRE的一部分。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。JVM有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。Java语言最重要的特点就是跨平台运行。使用JVM就是为了支持与操作系统无关，实现跨平台。 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。

JVM执行方式

对于“Java是解释执行”这句话，这个说法不太准确。我们开发的Java的源代码，首先通过Javac编译成为字节码（bytecode），然后，在运行时，通过 Java虚拟机（JVM）内嵌的解释器将字节码转换成为最终的机器码。但是常见的JVM，比如我们大多数情况使用的Oracle JDK提供的Hotspot JVM，都提供了JIT（Just-In-Time）编译器，也就是通常所说的动态编译器，JIT能够在运行时将热点代码编译成机器码，这种情况下部分热点代码就属于编译执行，而不是解释执行了。

java执行过程如下图所示：

JIT

Java JIT（just in time）即时编译器是sun公司采用了hotspot虚拟机取代其开发的classic vm之后引入的一项技术，目的在于提高java程序的性能，改变人们“java比C/C++慢很多”这一尴尬印象。

说起来是编译器，但此编译器与通常说的javac那个编译器不同，它其实是将字节码编译为硬件可执行的机器码的。

执行流程如下图所示：

源代码经javac编译成字节码，class文件
程序字节码经过JIT环境变量进行判断，是否属于“热点代码”（多次调用的方法，或循环等）
如是，走JIT编译为具体硬件处理器（如sparc、intel）机器码
如否，则直接由解释器解释执行
操作系统及类库调用
硬件

对于解释执行，不经过jit直接由解释器解释执行所有字节码，执行效率不高。而编译执行不加筛选的将全部代码进行编译机器码不论其执行频率是否有编译价值，在程序响应时间的限制下，编译器没法采用编译耗时较高的优化技术（因为JIT的编译是首次运行或启动的时候进行的！），所以，在纯编译执行模式下的java程序执行效率跟C/C++也是具有较大差距的。

因此，新版本的jvm默认都是采用混合执行模式。

Hot Spot 编译

当 JVM 执行代码时，它并不立即开始编译代码。这主要有两个原因：
首先，如果这段代码只会被执行一次，那么编译就是在浪费精力。如果一段代码被多次执行，那么编译就非常值得了。因此，编译器具有的这种权衡能力会首先执行解释后的代码，然后再去分辨哪些方法会被频繁调用来保证其本身的编译。Java代码开始都是被编译器编译成字节码文件，然后字节码文件会被交由 JVM 解释执行，其实Java本身是一种半编译半解释执行的语言。Hot Spot VM 采用了 JIT compile 技术，将运行频率很高的字节码直接编译为机器指令执行以提高性能（以 method 为翻译单位，还会保存起来，第二次执行就不用翻译了）直接执行。
第二个原因是最优化，当 JVM 执行某一方法或遍历循环的次数越多，就会更加了解代码结构，那么 JVM 在编译代码的时候就做出相应的优化。一个最重要的优化策略是编译器可以决定何时从主存取值，何时向寄存器存值。

优化代码缓存

当JVM编译代码时，它会将汇编指令集保存在代码缓存。代码缓存具有固定的大小，并且一旦它被填满，JVM 则不能再编译更多的代码。如何确定到底需要多大的代码缓存，通常的做法是将代码缓存变成默认大小的两倍或四倍。

编译阈值（CompileThreshold）

当 JVM 执行一个 Java 方法，它会检查这两个计数器的总和以决定这个方法是否有资格被编译。如果有，则这个方法将排队等待编译。这种编译形式一般被叫做标准编译。但是如果方法里有一个很长的循环或者是一个永远都不会退出并提供了所有逻辑的程序会怎么样呢？这种情况下，JVM 需要编译循环而并不等待方法被调用。所以每执行完一次循环，分支计数器都会自增和自检。如果分支计数器计数超出其自身阈值，那么这个循环（并不是整个方法）将具有被编译资格。这种编译叫做栈上替换（OSR），因为即使循环被编译了，这也是不够的：JVM 必须有能力当循环正在运行时，开始执行此循环已被编译的版本。标准编译是被-XX:CompileThreshold=Nflag 的值所触发。Client 编译器模式下，N 默认的值 1500，而 Server 编译器模式下，N 默认的值则是 10000。改变 CompileThreshold 标志的值将会使编译器相对正常情况下提前（或推迟）编译代码。在性能领域，改变 CompileThreshold 标志是很被推荐且流行的方法。

热点检测

要想触发JIT，首先需要识别出热点代码。目前主要的热点代码识别方式是热点探测（Hot Spot Detection），有以下两种：
1、基于采样的方式探测（Sample Based Hot Spot Detection) ：周期性检测各个线程的栈顶，发现某个方法经常出险在栈顶，就认为是热点方法。好处就是简单，缺点就是无法精确确认一个方法的热度。容易受线程阻塞或别的原因干扰热点探测。
2、基于计数器的热点探测（Counter Based Hot Spot Detection)。采用这种方法的虚拟机会为每个方法，甚至是代码块建立计数器，统计方法的执行次数，某个方法超过阀值就认为是热点方法，触发JIT编译。
在HotSpot虚拟机中使用的是第二种——基于计数器的热点探测方法，因此它为每个方法准备了两个计数器：方法调用计数器和回边计数器。

方法计数器。顾名思义，就是记录一个方法被调用次数的计数器。
回边计数器。是记录方法中的for或者while的运行次数的计数器。

JVM内存划分

程序计数器

作用：

是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。记录当前线程所执行到字节码行号，字节码解释器工作的时候是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行字节码的指令实现分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能。

意义：

JVM多线程是通过线程间轮流切换实现并分配处理器来实现的。其实并行实际上一个处理器只会执行一条线程中的指令，所以为了保证各个线程指令安全、隔离执行，每个线程都会有独立的私有的程序计数器。

存储内容：

当线程中执行一个Java方法时，程序计数器中记录是正在执行的线程的虚拟机字节码指令地址。当线程中执行本地方法Native时，程序计数器中存储的为空（undefined）。

异常处理：

此区域在JVM上唯一一个不会出现OOM异常的。

Java虚拟机栈

方法在执行时都会开辟一段内存区域用于存放方法运行时所需的数据，成为栈帧，一个栈帧包含如：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法的从调用到执行结束就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈和出栈过程。如下图：

局部变量表主要存放了编译器可知的各种数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）

异常处理：虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

StackOverFlowError：若Java虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前Java虚拟机栈的最大深度的时候，就抛出StackOverFlowError异常。
OutOfMemoryError：若 Java 虚拟机栈的内存大小允许动态扩展，且当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展了，此时抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈（Native Method Stack）

它和Java虚拟机栈是非常相似的，支持对本地方法的调用，也是每个线程都会创建一个。区别是，虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。本地方法被执行的时候，在本地方法栈也会创建一个栈帧，用于存放该本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出口信息。

在Oracle Hotspot JVM中，本地方法栈和Java虚拟机栈是在同一块儿区域，这完全取决于技术实现的决定，并未在规范中强制。

方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间，也会出现 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 两种异常。

堆（Heap）

它是Java内存管理的核心区域，用来放置Java对象实例，几乎所有创建的Java对象实例都是被直接分配在堆上。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作GC堆（Garbage Collected Heap）.从垃圾回收的角度，由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以Java堆还可以细分为：新生代和老年代：再细致一点有：Eden空间、From Survivor、To Survivor空间等。进一步划分的目的是更好地回收内存，或者更快地分配内存。

堆是JVM中所有线程共享的，因此在其上进行对象内存的分配均需要进行加锁，这也导致了new对象的开销是比较大的
Sun Hotspot JVM为了提升对象内存分配的效率，对于所创建的线程都会分配一块独立的空间TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根据运行的情况计算而得，在TLAB上分配对象时不需要加锁，因此JVM在给线程的对象分配内存时会尽量的在TLAB上分配，在这种情况下JVM中分配对象内存的性能和C基本是一样高效的，但如果对象过大的话则仍然是直接使用堆空间分配
TLAB仅作用于新生代的Eden Space，因此在编写Java程序时，通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效。
所有新创建的Object 都将会存储在新生代Yong Generation中。如果Young Generation的数据在一次或多次GC后存活下来，那么将被转移到OldGeneration。新的Object总是创建在Eden Space。
在 JDK 1.8中移除整个永久代，取而代之的是一个叫元空间（Metaspace）的区域（永久代使用的是JVM的堆内存空间，而元空间使用的是物理内存，直接受到本机的物理内存限制）。

方法区（Method Area）

这也是所有线程共享的一块内存区域，用于存储所谓的元（Meta）数据，例如类结构信息，以及对应的运行时常量池、字段、方法代码等。
由于早期的Hotspot JVM实现，很多人习惯于将方法区称为永久代（Permanent Generation）。Oracle JDK 8中将永久代移除，同时增加了元数据区（Metaspace）。

元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过以下参数来指定元空间的大小：

　　-XX:MetaspaceSize，初始空间大小，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对该值进行调整：如果释放了大量的空间，就适当降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。
　　-XX:MaxMetaspaceSize，最大空间，默认是没有限制的。

相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入方法区后就“永久存在”了

直接内存（Direct Memory）区域

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用。而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

JDK1.4中新加入的 NIO(New Input/Output) 类，引入了一种基于通道（Channel）与缓存区（Buffer）的 I/O 方式，它可以直接使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样就能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。

本机直接内存的分配不会收到 Java 堆的限制，但是，既然是内存就会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。

其他内存

JVM本身是个本地程序，还需要其他的内存去完成各种基本任务，比如，JIT Compiler在运行时对热点方法进行编译，就会将编译后的方法储存在Code Cache里面；GC等功能
需要运行在本地线程之中，类似部分都需要占用内存空间。这些是实现JVM JIT等功能的需要，但规范中并不涉及。

如下图是java是进程内存占用，与规范中定义的JVM运行时数据区之间的差别，它可以看作是运行时数据区的一个超集。

运行时常量池、字符串常量池、class常量池

字符串常量池（string pool）

全局字符串池里的内容是在类加载完成，经过验证，准备阶段之后在堆中生成字符串对象实例，然后将该字符串对象实例的引用值存到string pool中（记住：string pool中存的是引用值而不是具体的实例对象，具体的实例对象是在堆中开辟的一块空间存放的。）。
在HotSpot VM里实现的string pool功能的是一个StringTable类，它是一个哈希表，里面存的是驻留字符串(也就是我们常说的用双引号括起来的)的引用（而不是驻留字符串实例本身），也就是说在堆中的某些字符串实例被这个StringTable引用之后就等同被赋予了”驻留字符串”的身份。这个StringTable在每个HotSpot VM的实例只有一份，被所有的类共享。

String 类型的常量池比较特殊。它的主要使用方法有两种：

直接使用双引号声明出来的 String 对象会直接存储在常量池中。
如果不是用双引号声明的 String 对象，可以使用 String 提供的 intern 方法。String.intern() 是一个 Native 方法，它的作用是：如果运行时常量池中已经包含一个等于此 String 对象内容的字符串，则返回常量池中该字符串的引用；如果没有，则在常量池中创建与此 String 内容相同的字符串，并返回常量池中创建的字符串的引用。
尽量避免多个字符串拼接，因为这样会重新创建对象。如果需要改变字符串的话，可以使用 StringBuilder 或者 StringBuffer。

class常量池

class常量池是在编译的时候每个class都有的，在编译阶段，存放的是常量的符号引用。

我们都知道，class文件中除了包含类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息就是常量池(constant pool table)，用于存放编译器生成的各种字面量(Literal)和符号引用(Symbolic References)。

字面量就是我们所说的常量概念，如文本字符串、被声明为final的常量值等。
符号引用是一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可（它与直接引用区分一下，直接引用一般是指向方法区的本地指针，相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄）

运行时常量池

运行时常量池（Run-Time Constant Pool），这是方法区的一部分。如果仔细分析过反编译的类文件结构，你能看到版本号、字段、方法、超类、接口等各种信息，还有一项信息就是常量池。运行时常量池是在类加载完成之后，将每个class常量池中的符号引用值转存到运行时常量池中，也就是说，每个class都有一个运行时常量池，类在解析之后，将符号引用替换成直接引用，与全局常量池中的引用值保持一致。

jvm在执行某个类的时候，必须经过加载、连接、初始化，而连接又包括验证、准备、解析三个阶段。而当类加载到内存中后，jvm就会将class常量池中的内容存放到运行时常量池中，由此可知，运行时常量池也是每个类都有一个。在上面我也说了，class常量池中存的是字面量和符号引用，也就是说他们存的并不是对象的实例，而是对象的符号引用值。而经过解析（resolve）之后，也就是把符号引用替换为直接引用，解析的过程会去查询全局字符串池，也就是我们上面所说的StringTable，以保证运行时常量池所引用的字符串与全局字符串池中所引用的是一致的。

运行时常量池相对于Class 文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java 语言并不要求常量一定只能在编译期产生，也就是并非预置入Class 文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String 类的intern() 方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然会受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛OutOfMemoryError 异常

举个例子：

String str1 = "abc";
String str2 = new String("def");
String str3 = "abc";
String str4 = str2.intern();
String str5 = "def";
System.out.println(str1 == str3);//true
System.out.println(str2 == str4);//false
System.out.println(str4 == str5);//true

上面程序的首先经过编译之后，在该类的class常量池中存放一些符号引用，然后类加载之后，将class常量池中存放的符号引用转存到运行时常量池中，然后经过验证，准备阶段之后，在堆中生成驻留字符串的实例对象（也就是上例中str1所指向的”abc”实例对象），然后将这个对象的引用存到全局String Pool中，也就是StringTable中，最后在解析阶段，要把运行时常量池中的符号引用替换成直接引用，那么就直接查询StringTable，保证StringTable里的引用值与运行时常量池中的引用值一致，大概整个过程就是这样了。

回到上面的那个程序，现在就很容易解释整个程序的内存分配过程了，首先，在堆中会有一个”abc”实例，全局StringTable中存放着”abc”的一个引用值，然后在运行第二句的时候会生成两个实例，一个是”def”的实例对象，并且StringTable中存储一个”def”的引用值，还有一个是new出来的一个”def”的实例对象，与上面那个是不同的实例，当在解析str3的时候查找StringTable，里面有”abc”的全局驻留字符串引用，所以str3的引用地址与之前的那个已存在的相同，str4是在运行的时候调用intern()函数，返回StringTable中”def”的引用值，如果没有就将str2的引用值添加进去，在这里，StringTable中已经有了”def”的引用值了，所以返回上面在new str2的时候添加到StringTable中的 “def”引用值，最后str5在解析的时候就也是指向存在于StringTable中的”def”的引用值，那么这样一分析之后，下面三个打印的值就容易理解了。

总结

全局字符串常量池在每个VM中只有一份，存放的是字符串常量的引用值。
class常量池是在编译的时候每个class都有的，在编译阶段，存放的是常量的符号引用。
运行时常量池是在类加载完成之后，将每个class常量池中的符号引用值转存到运行时常量池中，也就是说，每个class都有一个运行时常量池，类在解析之后，将符号引用替换成直接引用，与全局常量池中的引用值保持一致。

8种基本类型的包装类和常量池

Java 基本类型的包装类的大部分都实现了常量池技术，即 Byte、Short、Integer、Long、Character、Boolean；这5种包装类默认创建了数值 [-128，127] 的相应类型的缓存数据，但是超出此范围仍然会去创建新的对象。
两种浮点数类型的包装类 Float、Double 并没有实现常量池技术。

举例如下：

Integer i1 = 33;
Integer i2 = 33;
System.out.println(i1 == i2);// 输出true
Integer i11 = 333;
Integer i22 = 333;
System.out.println(i11 == i22);// 输出false
Double i3 = 1.2;
Double i4 = 1.2;
System.out.println(i3 == i4);// 输出false

Integer i1=40；Java 在编译的时候会直接将代码封装成 Integer i1=Integer.valueOf(40); 从而使用常量池中的对象。
Integer i1 = new Integer(40) ;这种情况下会创建新的对象。

虚拟机对象创建过程

对象的创建

类加载检查

虚拟机遇到一条 new 指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载过、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。

分配内存

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。分配方式有 “指针碰撞” 和 “空闲列表” 两种，选择那种分配方式由 Java 堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

内存分配并发问题

作为虚拟机来说，必须要保证线程是安全的，通常来讲，虚拟机采用两种方式来保证线程安全：

CAS+失败重试： CAS 是乐观锁的一种实现方式。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。虚拟机采用 CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。
TLAB： 为每一个线程预先在 Eden 区分配一块内存。JVM 在给线程中的对象分配内存时，首先在 TLAB 分配，当对象大于TLAB 中的剩余内存或 TLAB 的内存已用尽时，再采用上述的 CAS 进行内存分配。

初始化零值

内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），这一步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

设置对象头

初始化零值完成之后，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是那个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希吗、对象的 GC 分代年龄等信息。这些信息存放在对象头中。另外，根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

执行 init 方法

在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从 Java 程序的视角来看，对象创建才刚开始，<init> 方法还没有执行，所有的字段都还为零。所以一般来说，执行 new 指令之后会接着执行 <init> 方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

对象的内存布局

在 Hotspot 虚拟机中，对象在内存中的布局可以分为3块区域：对象头、实例数据和对齐填充。

Hotspot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的自身运行时数据（哈希码、GC分代年龄、锁状态标志等等），另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是那个类的实例。

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序中所定义的各种类型的字段内容。

对齐填充部分不是必然存在的，也没有什么特别的含义，仅仅起占位作用。因为 Hotspot 虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

我们的Java程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式有虚拟机实现而定，目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种：

句柄

如果使用句柄的话，那么 Java 堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference 中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。

直接指针

如果使用直接指针访问，那么 Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而 reference 中存储的直接就是对象的地址。

使用句柄来访问的最大好处是 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference 本身不需要修改。使用直接指针访问方式最大的好处就是速度快，它节省了一次指针定位的时间开销。

由于对象的访问在Java 中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。就主要虚拟机Sun HotSpot 而言，它是使用第二种方式进行对象访问的，但从整个软件开发的范围来看，各种语言和框架使用句柄来访问的情况也十分常见。

JVM理解（一）：JVM概述