1. JVM介紹 

1.1 什么是JVM？

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機(jī)）的簡(jiǎn)稱，是一種用于計(jì)算設(shè)備的規(guī)范，是一個(gè)虛構(gòu)出來(lái)的計(jì)算機(jī)，通過(guò)在實(shí)際的計(jì)算機(jī)上仿真模擬各種計(jì)算機(jī)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

1.2 JVM的優(yōu)點(diǎn) 

1.2.1 一次編寫(xiě)，到處運(yùn)行。

JVM可以讓java程序，一次編寫(xiě)，導(dǎo)出運(yùn)行。讓底層代碼和運(yùn)行環(huán)境分離開(kāi)，編寫(xiě)好一份代碼后，不用再次修改內(nèi)容，只用通過(guò)安裝不同的JVM環(huán)境自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可運(yùn)行，在各種系統(tǒng)中無(wú)縫連接。

1.2.2 自動(dòng)內(nèi)存管理，垃圾回收機(jī)制。

在Java誕生之時(shí)，C和C++稱霸天下，但是這兩種語(yǔ)言中沒(méi)有內(nèi)存管理機(jī)制，是通過(guò)手動(dòng)操作來(lái)進(jìn)行的管理，非常麻煩和繁瑣。

此時(shí)Java應(yīng)運(yùn)而生,為了處理內(nèi)存管理這個(gè)方面，專門設(shè)計(jì)了垃圾回收機(jī)制，來(lái)自動(dòng)進(jìn)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(shí)，還要操心內(nèi)存會(huì)不會(huì)溢出這些“影響我方輸出”的問(wèn)題，頓時(shí)獲得了成噸的好評(píng)。

1.2.3 數(shù)組下標(biāo)越界檢查

在Java誕生之時(shí)，還有個(gè)讓當(dāng)時(shí)C和C++大佬頭疼的問(wèn)題是，數(shù)組下標(biāo)越界是沒(méi)有檢查機(jī)制的，這還了得，又是一個(gè)影響“我方暴力輸出”的罪魁禍?zhǔn)?，因此JVM繼續(xù)抱著暖男的思想，又來(lái)了個(gè)愛(ài)的抱抱。

JVM又一次看見(jiàn)了大佬們的煩惱，果斷提供了數(shù)組下標(biāo)越界的自動(dòng)檢查機(jī)制，在檢測(cè)到數(shù)組下標(biāo)出現(xiàn)越界后，會(huì)在運(yùn)行時(shí)自動(dòng)拋出“java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException”這個(gè)異常，在當(dāng)時(shí)可是感動(dòng)了很多業(yè)界大佬（我猜的）。

1.2.4 多態(tài)

JVM還有一個(gè)多態(tài)功能，是通過(guò)相同接口，不同的實(shí)例進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，完成不同的業(yè)務(wù)操作，比如：定義了一個(gè)動(dòng)物接口（里面有一個(gè)吃的方法），我們就可以通過(guò)這個(gè)動(dòng)物創(chuàng)造小貓（吃魚(yú)），再創(chuàng)造一個(gè)狗狗（吃肉），再創(chuàng)造一個(gè)小助手（吃零食，O(∩_∩)O哈哈~）。

仔細(xì)想想，對(duì)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(kuò)充性；

（4）接口性；

（5）靈活性；

（6）簡(jiǎn)化性；

1.3 JVM、JRE、JDK之間的關(guān)系 

1.3.1 JVM的簡(jiǎn)介

JVM是Java Virtual Machine的簡(jiǎn)稱，是Java虛擬機(jī)，是一種模擬出來(lái)的虛擬計(jì)算機(jī)，它通過(guò)在不同的計(jì)算機(jī)環(huán)境當(dāng)中模擬實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

引入Java虛擬機(jī)后，Java語(yǔ)言在不同平臺(tái)上運(yùn)行時(shí)就不需要重新編譯。在其中，Java虛擬機(jī)屏蔽了與具體平臺(tái)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(tái)運(yùn)行，達(dá)到“一次編譯，到處運(yùn)行”的目的，Java語(yǔ)言重要的特點(diǎn)之一跨平臺(tái)，也即與平臺(tái)的無(wú)關(guān)性，其關(guān)鍵點(diǎn)就是JVM。

1.3.2 JRE的簡(jiǎn)介

JRE是Java Runtime Environment的簡(jiǎn)稱，是Java運(yùn)行環(huán)境，是讓操作系統(tǒng)運(yùn)行Java應(yīng)用程序的環(huán)境，其內(nèi)部包含JVM，也就是說(shuō)JRE只負(fù)責(zé)對(duì)已經(jīng)存在的Java源程序進(jìn)行運(yùn)行的操作，它不包含開(kāi)發(fā)工具JDK，對(duì)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(jiǎn)介

JDK是Java Development Kit的簡(jiǎn)稱，是Java開(kāi)發(fā)工具包，是整個(gè)Java程序開(kāi)發(fā)的核心。其主要包含了JRE、Java的系統(tǒng)類庫(kù)以及對(duì)Java程序進(jìn)行編譯以及運(yùn)行的工具，例如：javac.exe和java.exe命令工具等。

1.4 JVM的常見(jiàn)實(shí)現(xiàn)

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

1.5 JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)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(jìn)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(duì)象）。

1.5.2虛擬機(jī)棧、程序計(jì)數(shù)器、本地方法棧

堆中的對(duì)象調(diào)用方法時(shí)，方法會(huì)運(yùn)行在虛擬機(jī)棧、程序計(jì)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(shí)，代碼通過(guò)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(diǎn)代碼，通過(guò)“即時(shí)編譯器”執(zhí)行，其執(zhí)行速度非?？臁?/p>

1.5.4 GC（垃圾回收機(jī)制）

GC是針對(duì)堆內(nèi)存中沒(méi)有引用的對(duì)象進(jìn)行回收，可以手動(dòng)也可以自動(dòng)。

1.5.5本地方法接口

因?yàn)镴VM不能直接調(diào)用操作系統(tǒng)的功能，只能通過(guò)本地方法接口來(lái)調(diào)用操作系統(tǒng)的功能。

2. JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)-程序計(jì)數(shù)器 

2.1 程序計(jì)數(shù)器的定義

Program Counter Register即程序計(jì)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(duì)java代碼進(jìn)行反匯編操作。下圖為通過(guò)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(jìn)制字節(jié)碼，即JVM指令，第二列為java源代碼。第一列中的序號(hào)為JVM指令的執(zhí)行地址。

JVM會(huì)通過(guò)程序計(jì)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(jī)器碼，最后交給cpu（只能識(shí)別機(jī)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(jì)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(diǎn) 

2.3.1 線程私有的 

2.3.2 不會(huì)存在內(nèi)存溢出 

3. JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)-虛擬機(jī)棧 

3.1 定義

虛擬機(jī)棧是每個(gè)線程運(yùn)行所需要的內(nèi)存空間，每個(gè)棧中由多個(gè)棧幀組成，每個(gè)線程中只能有一個(gè)活動(dòng)棧幀（對(duì)應(yīng)當(dāng)前正在執(zhí)行的方法），所有棧幀都遵循后進(jìn)先出，先進(jìn)后出的原則。

棧幀是每次調(diào)用方法時(shí)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?yàn)闂?nèi)存是由方法調(diào)用產(chǎn)生的，當(dāng)方法調(diào)用結(jié)束后會(huì)彈出棧。

注2：棧內(nèi)存不是分配的越大越好，因?yàn)槲锢韮?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(huì)越來(lái)越少。

注3：方法的局部變量，當(dāng)其沒(méi)有逃離方法的作用范圍時(shí)，是線程安全的；如果其引用了對(duì)象（比如靜態(tài)變量，即共享變量，用對(duì)象作為參數(shù)的方法，返回值為對(duì)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(wèn)題了。

3.2 棧內(nèi)存溢出

3.2.1 發(fā)生原因

（1）虛擬機(jī)棧中，棧幀過(guò)多（無(wú)限遞歸），如圖1棧幀過(guò)多；

（2）每個(gè)棧幀所占用過(guò)大，如圖2 棧幀過(guò)大。

3.2.2 棧內(nèi)存溢出小實(shí)驗(yàn)

3.2.2.1 棧幀過(guò)多的小實(shí)驗(yàn)

無(wú)限遞歸調(diào)用（棧幀過(guò)多）的小實(shí)驗(yàn)，method1()方法在主方法中無(wú)限調(diào)用自己，那么會(huì)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(cuò)誤，如下圖所示：

-Xss:該參數(shù)規(guī)定了每個(gè)線程虛擬機(jī)棧的大??；

接著我們通過(guò)設(shè)置一個(gè)虛擬機(jī)棧的大小是256k試試會(huì)發(fā)生什么？

我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)我們調(diào)整了虛擬機(jī)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(jī)棧之前，我們是23268次，很明顯我們可以通過(guò)-Xss參數(shù)調(diào)整虛擬機(jī)棧的大小來(lái)控制內(nèi)存的溢出情況。

3.2.2.2 線程運(yùn)行診斷小實(shí)驗(yàn)

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

Linux環(huán)境下：

在后臺(tái)運(yùn)行Stack_6這個(gè)java字節(jié)碼（.class）文件：

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

（1）通過(guò)top命令，查看進(jìn)程（相當(dāng)于任務(wù)管理器），發(fā)現(xiàn)了一個(gè)占用CPU達(dá)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(méi)有王法，這讓其他小伙伴還怎么愉快的玩耍，秒速糾錯(cuò)ING。。。

注：top命令，查看哪個(gè)進(jìn)程占用CPU過(guò)高，返回進(jìn)程號(hào)。

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

注：ps H -eo pid,tid,%cpu |grep，是通過(guò)ps命令查看哪個(gè)線程占用CPU過(guò)高，返回進(jìn)程id，其中pid為進(jìn)程id，tid為線程id，%cpu為CPU占用情況；

發(fā)現(xiàn)了罪魁禍?zhǔn)?，這一串串心驚肉跳的紅色。。。

（3） 通過(guò)jstack 進(jìn)程id查看，20389這個(gè)有問(wèn)題的進(jìn)程中具體的情況。

注：jstack 進(jìn)程id，是通過(guò)jstack 命令定位具體哪段代碼出現(xiàn)占用CPU過(guò)高，注意jstack命令查找的線程id是16進(jìn)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?cè)趺凑业骄唧w是哪個(gè)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(guò)計(jì)算器將20441轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制的4FD9再去試試，真相只有一個(gè)。

通過(guò)對(duì)比nid（線程id）4fd9，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)叫thread1的線程一直在運(yùn)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(wèn)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(lái)這里一直在執(zhí)行死循環(huán)，終于找到你，還好我沒(méi)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(shí)候是無(wú)法直接和操作系統(tǒng)底層交互的，但有時(shí)候需要Java調(diào)用本地的C或C++方法，所以此時(shí)本地方法棧應(yīng)運(yùn)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(guò)new關(guān)鍵字創(chuàng)建的對(duì)象存放在堆中

5.2 特點(diǎn) 

5.2.1線程共享

堆中存放的對(duì)象都是線程共享的，因此都是需要考慮線程安全問(wèn)題的。

5.2.2有垃圾回收機(jī)制

因?yàn)槎阎写娣诺膶?duì)象存放了大量的對(duì)象，因此給他配了個(gè)小助手——垃圾回收機(jī)制（可以調(diào)自動(dòng)擋和手動(dòng)擋哦~）。

5.3 堆內(nèi)存溢出小實(shí)驗(yàn) 

5.3.1 修改堆內(nèi)存大小參數(shù)的小實(shí)驗(yàn)

繼續(xù)幻想一個(gè)場(chǎng)景，當(dāng)一個(gè)大佬開(kāi)發(fā)完一個(gè)段代碼的時(shí)候（當(dāng)然一般大佬都是很自信的，我寫(xiě)的代碼怎么可能有問(wèn)題，不存在的。。。），但是測(cè)試可跑不了，穩(wěn)妥起見(jiàn)咱們還是默默得搞測(cè)試試試嘛，安全第一。但是機(jī)器的內(nèi)存就這么大，大佬肯定跑了很多次了，都沒(méi)出現(xiàn)問(wèn)題的，這不是找茬嘛。。。還是默默改下機(jī)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(kuò)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(tái)報(bào)了堆內(nèi)存溢出錯(cuò)誤。

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

操作基本和棧內(nèi)存溢出的時(shí)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(cuò)誤了。

5.3.2 堆內(nèi)存診斷的小實(shí)驗(yàn)

jps工具:查看當(dāng)前系統(tǒng)中有哪些java進(jìn)程

jmap工具：查看堆內(nèi)存的占用情況jmap -heap 進(jìn)程id

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

下面我們通過(guò)運(yùn)行代碼后通過(guò)jconsole可視化圖形工具，來(lái)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(duì)象時(shí)，內(nèi)存使用有一定上升；然后在我們手動(dòng)調(diào)用垃圾回收機(jī)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(jī)中有一個(gè)被所有jvm線程共享的方法區(qū)。方法區(qū)有點(diǎn)類似于傳統(tǒng)編程語(yǔ)言中的編譯代碼塊或者操作系統(tǒng)層面的代碼段。它存儲(chǔ)著每個(gè)類的構(gòu)造信息，譬如運(yùn)行時(shí)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(shí)例初始化和接口初始化時(shí)候使用的特殊方法。

方法區(qū)有個(gè)別稱non-heap(非堆)，可以看作是一塊獨(dú)立于堆的內(nèi)存空間，是JVM規(guī)范中定義的一個(gè)概念，用于存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)可以放在不同的地方。

6.2 特點(diǎn)

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

（2）方法區(qū)在JVM啟動(dòng)的時(shí)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(kuò)展；

（4）方法區(qū)的大小決定了系統(tǒng)可以保存多少個(gè)類，如果系統(tǒng)定義了太多的類，導(dǎo)致方法區(qū)溢出，虛擬機(jī)同樣會(huì)拋出溢出錯(cuò)誤OutOfMemoryError；

（5）關(guān)閉JVM就會(huì)釋放這個(gè)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(shí)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(chǔ)了運(yùn)行時(shí)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(shí)候，方法區(qū)做為一個(gè)概念，保存在本地內(nèi)存中，叫做元空間，里面存儲(chǔ)了運(yùn)行時(shí)的常量池、類的信息、類加載器，此時(shí)串池（StringTable）儲(chǔ)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(lái)幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容！