JVM(Java虚拟机)

本文讲解的名词有，JVM，程序计数器，栈，堆，方法区，幸存区，元空间，永久代，老年代，新生代，伊甸园区，常量池等等。

什么是JVM？

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，可以理解成一个专门运行.java文件的微型操作系统。

有三种JVM（不止），本文主要探讨jdk8版本的HotSpot

例如：

1. SUN公司的Hotspot
2. BEA公司的JRockit
3. IBM公司的J9

JRE、JDK和JVM的关系

JDK（Java Development Kit，Java开发工具包）> JRE（Java Runtime Environment， Java运行环境）> JVM（Java Virtual Machine， Java虚拟机）

JVM的主要组成部分

类加载器（ClassLoader）
运⾏时数据区（Runtime Data Area）
执⾏引擎（Execution Engine）
本地库接⼝（Native Interface）

JVM执行程序

⾸先通过类加载器（ClassLoader）会把 java 代码转换成字节码，运⾏时数据区（Runtime Data Area）再把字节码加载到内存中，⽽字节码⽂件只是 jvm 的⼀套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统去执⾏，因此需要特定的命令解析器执⾏引擎（Execution Engine），将字节码翻译成底层系统指令，再交由 CPU 去执⾏，⽽这个过程中需要调⽤其他语⾔的本地库接⼝（Native Interface）来实现整个程序的功能。

JVM 内存划分（重点来了）

首先，JVM 按照线程是否共享将内存首先分成两大类

线程独享区

这里面就放着

1. 程序计数器（Program Counter Register）
2. Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）
3. 本地⽅法栈（Native Method Stack）

实际上，我们所说的程序计数器，栈，在jvm中从来就不止一个，线程有几个它就有几个。

线程共享区

我们所说的GC垃圾回收，JVM调优，都是在堆里。

这里面就放着

1. Java 堆（Java Heap）
2. ⽅法区（Methed Area）

有意思的知识点是，方法区也称之为非堆（逻辑上是堆，但物理上不属于堆）。一个jvm的堆（方法区也可以说属于堆）就只有一个，所有的线程都在堆里找数据。

图解如下

OK，我们进一步往下解剖这五大区域

• 程序计数器（Program Counter Register）：当前线程所执⾏的字节码的⾏号指示器，字节码解析器的⼯作是通过改变这个计数器的值，来选取下⼀条需要执⾏的字节码指令，分⽀、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能，都需要依赖这个计数器来完成；
• Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）：⽤于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、⽅法出⼝等信息；
• 本地⽅法栈（Native Method Stack）：与虚拟机栈的作⽤是⼀样的，只不过虚拟机栈是服务 java ⽅法的，⽽本地⽅法栈是为虚拟机调⽤ Native ⽅法服务的；
• Java 堆（Java Heap）：java 虚拟机中内存最⼤的⼀块，是被所有线程共享的，⼏乎所有的对象实例都在这⾥分配内存；
• ⽅法区（Methed Area）：⽤于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。

程序计数器（Program Counter Register）

用于记录下一条jvm指令的执行地址，分支、循环、跳转、异常、线程恢复等都依赖于计数器。

1. 线程私有。
2. 不会存在内存溢出。

Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

栈中保存基本数据类型的值和对象以及基础数据的引用。

1. 基本数据类型：变量在声明的时候，能够确认占用内存的大小。
2. 引用数据类型：引用数据类型将值的引用存放到虚拟机栈中，而对象存放在堆内存中，引用数据类型占用 8个字节存放地址（64位jvm虚拟机，即我们jdk8 64位版本的Hotspot）。

栈帧

每一个线程都会对应一个虚拟机栈，线程中的每个方法都会创建一个栈帧，存放本次方法执行过程中所需要的所有数据。

1. 局部变量：存放当前方法的局部变量，基本数据类型存值，引用数据类型存堆内存地址。

2. 操作数栈：对方法中的变量提供计算的区域。

3. 常量数据的引用：常量数据会存放到方法区的常量池中，不管是基本数据类型还是引用数据类型都会存放常量。

4. 池的地址：方法返回值的地址 方法返回数据会存到计算机内存的寄存器中。

栈溢出（StackOverflowError）

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将抛出StackOverflowError异常。

解决方案（未必有用）：

可以通过修改虚拟机栈的内存大小设置栈帧的最大深度，指令为：-Xss 用来修改虚拟机栈内存大小

注意：这是一个Error异常，是非常严重的，这里应该去检查你代码是不是有问题。

本地⽅法栈（Native Method Stack）

作⽤于本地⽅法执⾏的⼀块Java内存区域，用来⽀持native⽅法执⾏，native关键字说明其⽅法是一个原⽣态方法，方法对应的实现不是在当前文件，⽽是在⽤其他语⾔(如C和C++)实现的文件中。这里面存放着调用本地方法的接口。

Java 堆（Java Heap）

声明：这里以jdk8的视角讲解堆，我在写这篇之前一直分不清幸存区，新生代，老年代，伊甸园区，持久代，永久代，元空间等等名词，这一篇的目的也在于梳理这些名词，搞懂它们。

首先，堆有两种说法，第一种说堆等于堆内存+方法区，第二种说法方法区不属于堆，下面开始展开讲解。

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下面的内容都是我查看大量资料所见的，希望大家坚定相信！

ok，我们先梳理这两种说法，看看是否要将堆和方法区分开讲解！

元空间

实际上为大家造成两种奇怪说法原因在于，方法区在设计上确实属于堆的一部分，方法区其实就是大家所说的元空间，没错，实际上大家一直争议的元空间，就是方法区，元空间就是方法区的具体实现！

方法区属于堆，但是元空间不属于堆，这也就是著名的非堆理论（方法区逻辑上属于堆，物理上不属于堆），堆的空间（约为系统内存的四分之一），元空间的被认为是无限大，内存多大它就多大，堆又怎么可能放得下元空间！

持久代已废弃，以后只有元空间。从物理角度来说，方法区不属于堆。

说完了结论，所以下文将把堆和方法区分开。

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堆的划分

以下皆为物理划分，可以通过代码实验。

堆大小 = 年轻代 + 老年代
年轻代 = eden space (新生代，官方说法就是伊甸园区) + from survivor（来自幸存区） + to survivor（前往幸存区）

清晰可见

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我们包含的名词有新生代，老年代，年轻代，伊甸园区，幸存区，元空间。

JVM线程共享区 = 堆 + 方法区

堆 = 年轻代 + 老年代

方法区 = 元空间

年轻代 = 新生代 + 幸存区

新生代 = 伊甸园区

幸存区 = form幸存区 + to幸存区

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所谓的垃圾回收，就在堆里大量进行，对象在form幸存区和to幸存区来回跳跃，每来回一次，年龄+1，加到15时就可以进老年代了。 对象晋升老年代的年龄阈值，可以通过参数-XX：MaxTenuringThreshold设置。

堆溢出Out of Memory

堆参数（-Xmx 与-Xms）

垃圾回收GC（Garbage Collection）

主要目的：防止内存溢出 Out of Memory

垃圾回收算法

• 标记-清除算法：标记⽆⽤对象，然后进⾏清除回收。缺点：效率不⾼，⽆法清除垃圾碎⽚。
• 标记-整理算法：标记⽆⽤对象，让所有存活的对象都向⼀端移动，然后直接清除掉端边界以外的内存。
• 复制算法：按照容量划分⼆个⼤⼩相等的内存区域，当⼀块⽤完的时候将活着的对象复制到另⼀块上，然后再把已使⽤的内存空间⼀次清理掉。缺点：内存使⽤率不⾼，只有原来的⼀半。
• 分代算法：根据对象存活周期的不同将内存划分为⼏块，⼀般是新⽣代和⽼年代，新⽣代基本采⽤复制算法，⽼年代采⽤标记整理算法。

⽅法区（Methed Area）

1. 元空间就是方法区的具体实现

2. 大名鼎鼎的常量池就在方法区，不过，JDK8的HotSpot VM中，运行时常量池在方法区，而字符串常量池被移到了堆中了。此时常量池存储的就是字符串的引用了。

方法区会存储类信息、静态变量、常量（JDK8 之后不存放字符串常量）、本地机器指令。

JVM调优的参数

-Xms2g 初始化推⼤⼩为 2g；
-Xmx2g 堆最⼤内存为 2g；
-XX:NewRatio=4 设置年轻的和⽼年代的内存⽐例为 1:4；
-XX:SurvivorRatio=8 设置新⽣代 Eden 和 Survivor ⽐例为 8:2；
-XX:+UseParNewGC 指定使⽤ ParNew + Serial Old 垃圾回收器组合；
-XX:+UseParallelOldGC 指定使⽤ ParNew + ParNew Old 垃圾回收器组合；
-XX:+UseConcMarkSweepGC 指定使⽤ CMS + Serial Old 垃圾回收器组合；
-XX:+PrintGC 开启打印gc信息；
-XX:+PrintGCDetails 打印gc详细信息。