做Java開發的幾乎都知JVM這個名詞，但是由於JVM對實際的簡單開發的來說關聯的還是不多，一般工作個一兩年（當然不包括愛學習的及專門做效能優化的什麼的），很少有人能很好的去學習及理解什麼是JVM，以及弄清楚JVM的工作原理，個人認為這塊還是非常有必要去認真瞭解及學習的，特別是剛入門或入門不久的java開發來說，JVM是Java的基石!

1.JVM簡析

作為一名Java使用者，掌握JVM的體系結構也是很有必要的。

說起Java，我們首先想到的是Java程式語言，然而事實上，Java是一種技術，它由四方面組成：Java程式語言、Java類檔案格式、Java虛擬機器和Java應用程式介面(Java API)。它們的關係如下圖所示：

Java平臺由Java虛擬機器和Java應用程式介面搭建，Java語言則是進入這個平臺的通道，用Java語言編寫並編譯的程式可以執行在這個平臺上。這個平臺的結構如下圖所示： 執行期環境代表著Java平臺，開發人員編寫Java程式碼(.java檔案)，然後將之編譯成位元組碼(.class檔案)，再然後位元組碼被裝入記憶體，一旦位元組碼進入虛擬機器，它就會被直譯器解釋執行，或者是被即時程式碼發生器有選擇的轉換成機器碼執行。

JVM在它的生存週期中有一個明確的任務，那就是執行Java程式，因此當Java程式啟動的時候，就產生JVM的一個例項；當程式執行結束的時候，該例項也跟著消失了。 在Java平臺的結構中, 可以看出，Java虛擬機器(JVM) 處在核心的位置，是程式與底層作業系統和硬體無關的關鍵。它的下方是移植介面，移植介面由兩部分組成：介面卡和Java作業系統, 其中依賴於平臺的部分稱為介面卡；JVM 通過移植介面在具體的平臺和作業系統上實現；在JVM 的上方是Java的基本類庫和擴充套件類庫以及它們的API， 利用Java API編寫的應用程式(application) 和小程式(Java applet) 可以在任何Java平臺上執行而無需考慮底層平臺, 就是因為有Java虛擬機器(JVM)實現了程式與作業系統的分離，從而實現了Java 的平臺無關性。

下面我們從JVM的基本概念和運過程程這兩個方面入手來對它進行深入的研究。

2.JVM基本概念

(1) 基本概念：

JVM是可執行Java程式碼的假想計算機 ，包括一套位元組碼指令集、一組暫存器、一個棧、一個垃圾回收，堆 和 一個儲存方法域。JVM是執行在作業系統之上的，它與硬體沒有直接的互動。

(2) 執行過程：

我們都知道Java原始檔，通過編譯器，能夠生產相應的.Class檔案，也就是位元組碼檔案，而位元組碼檔案又通過Java虛擬機器中的直譯器，編譯成特定機器上的機器碼 。

也就是如下：

① Java原始檔—->編譯器—->位元組碼檔案

② 位元組碼檔案—->JVM—->機器碼

每一種平臺的直譯器是不同的，但是實現的虛擬機器是相同的，這也就是Java為什麼能夠跨平臺的原因了 ，當一個程式從開始執行，這時虛擬機器就開始例項化了，多個程式啟動就會存在多個虛擬機器例項。程式退出或者關閉，則虛擬機器例項消亡，多個虛擬機器例項之間資料不能共享。

(3) 三種JVM:

① Sun公司的HotSpot；

② BEA公司的JRockit；

③ IBM公司的J9 JVM；

在JDK1.7及其以前我們所使用的都是Sun公司的HotSpot，但由於Sun公司和BEA公司都被oracle收購，jdk1.8將採用Sun公司的HotSpot和BEA公司的JRockit兩個JVM中精華形成jdk1.8的JVM。

3.JVM的體系結構

(1) Class Loader類載入器

負責載入 .class檔案，class檔案在檔案開頭有特定的檔案標示，並且ClassLoader負責class檔案的載入等，至於它是否可以執行，則由Execution Engine決定。

① 定位和匯入二進位制class檔案

② 驗證匯入類的正確性

③ 為類分配初始化記憶體

④ 幫助解析符號引用.

(2) Native Interface本地介面:

本地介面的作用是融合不同的程式語言為Java所用，它的初衷是融合C/C++程式，Java誕生的時候C/C++橫行的時候，要想立足，必須有呼叫C/C++程式，於是就在記憶體中專門開闢了一塊區域處理標記為native的程式碼，它的具體作法是Native Method Stack中登記native方法，在Execution Engine執行時載入native libraies。

目前該方法使用的越來越少了，除非是與硬體有關的應用，比如通過Java程式驅動印表機，或者Java系統管理生產裝置，在企業級應用中已經比較少見。

因為現在的異構領域間的通訊很發達，比如可以使用Socket通訊，也可以使用Web Service等。

(3) Execution Engine 執行引擎：執行包在裝載類的方法中的指令，也就是方法。

(4) Runtime data area 執行資料區:

虛擬機器記憶體或者Jvm記憶體，衝整個計算機記憶體中開闢一塊記憶體儲存Jvm需要用到的物件，變數等，執行區資料有分很多小區，分別為：方法區，虛擬機器棧，本地方法棧，堆，程式計數器。

4.JVM資料執行區詳解（棧管執行，堆管儲存）：

說明：JVM調優主要就是優化 Heap堆 和 Method Area 方法區。

(1) Native Method Stack本地方法棧

它的具體做法是Native Method Stack中登記native方法，在Execution Engine執行時載入native libraies。

(2) PC Register程式計數器

每個執行緒都有一個程式計算器，就是一個指標，指向方法區中的方法位元組碼（下一個將要執行的指令程式碼），由執行引擎讀取下一條指令，是一個非常小的記憶體空間，幾乎可以忽略不記。

(3) Method Area方法區

方法區是被所有執行緒共享，所有欄位和方法位元組碼，以及一些特殊方法如建構函式，介面程式碼也在此定義。簡單說，所有定義的方法的資訊都儲存在該區域，此區域屬於共享區間。

靜態變數+常量+類資訊+執行時常量池存在方法區中，例項變數存在堆記憶體中。

(4) Stack 棧

① 棧是什麼

棧也叫棧記憶體，主管Java程式的執行，是線上程建立時建立，它的生命期是跟隨執行緒的生命期，執行緒結束棧記憶體也就釋放，對於棧來說不存在垃圾回收問題，只要執行緒一結束該棧就Over，生命週期和執行緒一致，是執行緒私有的。

基本型別的變數和物件的引用變數都是在函式的棧記憶體中分配。

② 棧儲存什麼？

棧幀中主要儲存3類資料：

本地變數（Local Variables）：輸入引數和輸出引數以及方法內的變數；

棧操作（Operand Stack）：記錄出棧、入棧的操作；

棧幀資料（Frame Data）：包括類檔案、方法等等。

③ 棧執行原理

棧中的資料都是以棧幀（Stack Frame）的格式存在，棧幀是一個記憶體區塊，是一個數據集，是一個有關方法和執行期資料的資料集，當一個方法A被呼叫時就產生了一個棧幀F1，並被壓入到棧中，A方法又呼叫了B方法，於是產生棧幀F2也被壓入棧，B方法又呼叫了C方法，於是產生棧幀F3也被壓入棧…… 依次執行完畢後，先彈出後進......F3棧幀，再彈出F2棧幀，再彈出F1棧幀。

遵循“先進後出”/“後進先出”原則。

(5) Heap 堆

堆這塊區域是JVM中最大的，應用的物件和資料都是存在這個區域，這塊區域也是執行緒共享的，也是 gc 主要的回收區，一個 JVM 例項只存在一個堆類存，堆記憶體的大小是可以調節的。類載入器讀取了類檔案後，需要把類、方法、常變數放到堆記憶體中，以方便執行器執行，堆記憶體分為三部分：

① 新生區

新生區是類的誕生、成長、消亡的區域，一個類在這裡產生，應用，最後被垃圾回收器收集，結束生命。新生區又分為兩部分：伊甸區（Eden space）和倖存者區（Survivor pace），所有的類都是在伊甸區被new出來的。倖存區有兩個：0區（Survivor 0 space）和1區（Survivor 1 space）。當伊甸園的空間用完時，程式又需要建立物件，JVM的垃圾回收器將對伊甸園進行垃圾回收（Minor GC）,將伊甸園中的剩餘物件移動到倖存0區。若倖存0區也滿了，再對該區進行垃圾回收，然後移動到1區。那如果1去也滿了呢？再移動到養老區。若養老區也滿了，那麼這個時候將產生Major GC（FullGCC），進行養老區的記憶體清理。若養老區執行Full GC 之後發現依然無法進行物件的儲存，就會產生OOM異常“OutOfMemoryError”。

如果出現java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space異常，說明Java虛擬機器的堆記憶體不夠。原因有二：

a.Java虛擬機器的堆記憶體設定不夠，可以通過引數-Xms、-Xmx來調整。

b.程式碼中建立了大量大物件，並且長時間不能被垃圾收集器收集（存在被引用）。

② 養老區

養老區用於儲存從新生區篩選出來的 JAVA 物件，一般池物件都在這個區域活躍。

③ 永久區

永久儲存區是一個常駐記憶體區域，用於存放JDK自身所攜帶的 Class,Interface 的元資料，也就是說它儲存的是執行環境必須的類資訊，被裝載進此區域的資料是不會被垃圾回收器回收掉的，關閉 JVM 才會釋放此區域所佔用的記憶體。

如果出現java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space，說明是Java虛擬機器對永久代Perm記憶體設定不夠。原因有二：

a. 程式啟動需要載入大量的第三方jar包。例如：在一個Tomcat下部署了太多的應用。

b. 大量動態反射生成的類不斷被載入，最終導致Perm區被佔滿。

說明：

Jdk1.6及之前：常量池分配在永久代 。

Jdk1.7：有，但已經逐步“去永久代” 。

Jdk1.8及之後：無(java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,這種錯誤將不會出現在JDK1.8中)。

說明：方法區和堆記憶體的異議：

實際而言，方法區和堆一樣，是各個執行緒共享的記憶體區域，它用於儲存虛擬機器載入的：類資訊+普通常量+靜態常量+編譯器編譯後的程式碼等等，雖然JVM規範將方法區描述為堆的一個邏輯部分，但它卻還有一個別名叫做Non-Heap（非堆），目的就是要和堆分開。

對於HotSpot虛擬機器，很多開發者習慣將方法區稱之為“永久代（Parmanent Gen）”,但嚴格本質上說兩者不同，或者說使用永久代來實現方法區而已，永久代是方法區的一個實現，jdk1.7的版本中，已經將原本放在永久代的字串常量池移走。

常量池（Constant Pool）是方法區的一部分，Class檔案除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述資訊外，還有一項資訊就是常量池，這部分內容將在類載入後進入方法區的執行時常量池中存放。

5.堆記憶體調優簡介

程式碼測試：

public class JVMTest {

public static void main(String[] args){

long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();//返回Java虛擬機器試圖使用的最大記憶體量。

Long totalMemory = Runtime. getRuntime().totalMemory();//返回Java虛擬機器中的記憶體總量。

System.out.println("MAX_MEMORY ="+maxMemory +"(位元組)、"+(maxMemory/(double)1024/1024) + "MB");

System.out.println("TOTAL_ MEMORY = "+totalMemory +"(位元組)"+(totalMemory/(double)1024/1024) + "MB");

}

}

說明：在Run as ->Run Configurations中輸入"-XX:+PrintGCDetails"可以檢視堆記憶體執行原理圖：

(1) 在jdk1.7中：

(2) 在jdk1.8中:

6.通過引數設定自動觸發垃圾回收：

public class JVMTest {

public static void main(String[] args){

long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();//返回Java虛擬機器試圖使用的最大記憶體量。

Long totalMemory = Runtime. getRuntime().totalMemory();//返回Java虛擬機器中的記憶體總量。

System.out.println("MAX_MEMORY ="+maxMemory +"(位元組)、"+(maxMemory/(double)1024/1024) + "MB");

System.out.println("TOTAL_ MEMORY = "+totalMemory +"(位元組)"+(totalMemory/(double)1024/1024) + "MB");

String str = "www.baidu.com";

while(true){

str += str + new Random().nextInt(88888888) + new Random().nextInt(99999999);

}

}

}

在Run as ->Run Configurations中輸入設定“-Xmx8m –Xms8m –xx:+PrintGCDetails”可以參看垃圾回收機制原理: