JVM 快速入门

JVM简介

什么是JVM？

JVM是Java虚拟机（Java Virtual Machine）的简称。之所以被叫做虚拟机，是因为它是一个抽象化的计算机，在其内部有完整的硬件架构（寄存器，堆栈，指令系统等）。

简单来说，Java虚拟机就是一台执行Java字节码的虚拟计算机。

什么是虚拟机？

定义： 虚拟机就是一台虚拟的计算机。它是一款软件，可以模拟一系列虚拟计算机指令。

虚拟机可以被分为系统虚拟机和程序虚拟机两种。

JVM的作用

Java虚拟机是二进制字节码的运行环境，负责装载字节码到其内部，解释/编译为对应平台（Linux,Mac,Windows等）上的机器指令执行。

JVM的特点

• 平台无关性
• 一次编译，到处运行
• 自动内存管理
• 自动垃圾回收

JVM的位置

前面说到，虚拟机是一款模拟虚拟计算机指令的软件。所以它本质上是一款软件，运行在操作系统之上。

JVM 的结构

JVM 的结构可由下图来简单表示：

Java 内存优化主要集中在堆区，方法区是特殊的堆区。

类加载器

类加载器（ClassLoader）用于将字节码文件加载到 JVM 中去运行。

JVM 中提供了三层 ClassLoader:

1. Bootstrap classLoader：引导类加载器，主要用于加载 Java 的核心类库。
2. ExtClassLoader：扩展类加载器，用于加载 jre/lib/ext 目录下的一些扩展的 jar 包。
3. AppclassLoader：系统类加载器，用于加载应用程序中的类。

双亲委派机制

双亲委派机制是 JVM 加载 .class 的机制。当加载一个类时，系统类加载器向上委托给扩展类加载器，扩展类加载器向上委托给引导类加载器。如果引导类加载器中包含这个类，则成功加载。否则向下交给扩展类加载器去加载，扩展类加载器加载不了，就会交由系统类加载器去加载。

双亲委派的优点：（1）避免类重复加载，一旦一个类被父加载器加载后，就不会被子类加载器加载 （2）保护程序安全，防止核心文件被篡改

沙箱安全机制

沙箱是计算机安全领域的一种安全机制，为运行的程序提供隔离的环境。假如 JVM 是一个大的盒子，如果我直接在里面运行一段未知的程序，可能对 JVM 内部的其他程序产生不利的影响。于是，我们可以在 JVM 中建一个小的盒子 （沙箱），让它在这个小盒子中运行。

那如果沙箱中的代码需要访问操作系统和本地资源，该如何保证安全呢？沙箱安全机制给不同的沙箱提供了不同的权限，根据权限来调用操作系统和本地资源。例如，核心类有最高的权限，远程代码有较低的权限。

native 关键字

native 是本地的意思，当方法被 native关键字修饰，表示 Java 的作用范围已经达不到了，会去调用其他语言的库。执行到被 native 修饰的方法后会进入本地方法栈，调用 JNI （Java Native Interface）来操作其他编程语言。

本地方法栈：用于登记 native 方法，在执行引擎执行时加载本地方法库

JNI： 本地方法接口，通过该接口来调用其他语言的类库

Java 使用 native 关键字是为了扩展 Java 的使用，可以在 Java 中使用其他编程语言，进而使其能立足。

程序计数器

每个线程都有一个程序计数器，是线程私有的。它是一个指针，指向方法区中的字节码，告诉执行引擎现在执行到哪一条指令了。

方法区

方法区被所有线程共享，所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法，如构造函数，接口代码也在此定义。简单来说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，此区域为共享区域。

静态变量、常量、类对象（构造方法、接口定义）运行时的常量池存在方法区中，但是变量实例存在堆内存中

栈

栈是一种后进先出的数据结构。栈主管程序的运行，生命周期与线程同步。

线程结束，栈内存也就被释放，所以对栈来说，不存在垃圾回收。

栈中存储的内容有：

• 八种基本数据类型
• 堆中对象的引用

堆

堆中用于存储对象的实例。栈是线程级别的，而堆在虚拟机中仅有一个。

堆的内存可以继续细分为:新生区、老年区和元空间。新生区又可被细分为伊甸园区、幸存 0 区和幸存 1 区。

新生区

伊甸园区是对象生成的地方，当伊甸园区内存满的时候，会触发一次轻量级的GC，没有被清理掉的对象会被送到幸存区。当新生区满后，会触发重 GC，重 GC 后存活的对象会被送至老年区。此外，在没有经过设置的情况下，新生区经历过 15 次轻 GC 的对象会被送至老年区。

老年区

老年区用于存储新生区中经历重 GC 或达到轻 GC 阈值次数后仍旧存活的对象。

元空间

元空间常驻内存，存储的是 Java 运行时的一些环境或类信息。

IDEA 中设置 JVM 的大小

在项目构建处，双击 Edit Configurations

在弹出的页面中，设置虚拟机的大小

​ -Xms8m -Xmx8m -XX:+PrintGCDetails 中 -Xms、-Xmx 用来设置初始化内存分配大小和最大分配内存，-XX:+PrintGCDetails 用来打印 GC 的详细信息。

垃圾回收机制

垃圾回收主要集中在伊甸园区和老年区。

垃圾回收的类型包括轻 GC 和 重 GC，轻 GC 只清理新生区，而 重 GC 是全局 GC。

GC 的常用算法包括复制算法、标记清除法和标记整理法。

复制算法

这里我们将幸存者 0 区 和幸存者 1 区称为 from 区和 to 区。当伊甸园区满后，会触发一次轻 GC，存活的对象进入 to 区，然后将 from 区中已有的对象复制到 to 区中；最后将 from 区清空并交换 from 区和 to 区的位置。

这种方法的好处是不会存在内存碎片，且时间复杂度低，缺点是因为要一直维持一个空的 to 区，造成了资源的浪费。

标记清除法

标记清除法包括两步，首先扫描一遍，标记需要清除的元素，然后再扫描一遍清除对象。

这种方法的好处不会造成资源的浪费，但有较高的时间复杂度，且会产生内存碎片。

标记整理法

标记整理法在标记清除法的基础上，通过移动对象的方式避免了内存碎片的产生。

相比标记清除法，该算法的时间复杂度更高，但不会存在内存碎片。