JVM运行基础原理

1 什么是JVM

1.1 定义:

JVM:Java Virtual Machine 直接翻译java虚拟机,就是java虚拟了一个机器,安装在你的电脑上,java跨平台属性全靠JVM

Java Runtime Environment (JRE) is the implementation of the Java Virtual Machine (JVM). JVM analyze the bytecode, interprets it, and execute the same bytecode to display the output.

  1. JRE是一个JVM的实现,
  2. JVM用来分析bytecode,解释bytecode,执行bytecode,和输出bytecode结果。

关键单词:bytecode:字节码

JVM做了些什么

  1. 加载.class和.jar文件
  2. 负责连接和验证代码
  3. 执行代码
  4. 提供java的字节码运行环境

1.2 JVM原理和架构

JVM总体上是由类装载子系统(ClassLoader)、运行时数据区、执行引擎、垃圾收集这四个部分组成。

1.2.1 类装载子系统ClassLoader

类加载过程
加载 -> 验证 -> 准备 -> 解析 -> 初始化 -> 使用 -> 卸载

类加载顺序

①Bootstrap ClassLoader

负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class,由C++实现,不是ClassLoader子类

②Extension ClassLoader

负责加载java平台中扩展功能的一些jar包,包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包

③App ClassLoader

负责记载classpath中指定的jar包及目录中class

④Custom ClassLoader

属于应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader,如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader

加载过程中会先检查类是否被已加载,检查顺序是自底向上,从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查,只要某个classloader已加载就视为已加载此类,保证此类只所有ClassLoader加载一次。而加载的顺序是自顶向下,也就是由上层来逐层尝试加载此类。

JAVA的类加载双亲委派模型:先找父亲去加载,不行的话再由儿子来加载

双亲委派机制,其工作原理的是,如果一个类加载器收到了类加载请求,它并不会自己先去加载,而是把这个请求委托给父类的加载器去执行,如果父类加载器还存在其父类加载器,则进一步向上委托,依次递归,请求最终将到达顶层的启动类加载器,如果父类加载器可以完成类加载任务,就成功返回,倘若父类加载器无法完成此加载任务,子加载器才会尝试自己去加载,这就是双亲委派模式,即每个儿子都很懒,每次有活就丢给父亲去干,直到父亲说这件事我也干不了时,儿子自己才想办法去完成

双亲委派机制的优势:采用双亲委派模式的是好处是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系,通过这种层级关可以避免类的重复加载,当父亲已经加载了该类时,就没有必要子ClassLoader再加载一次。其次是考虑到安全因素,java核心api中定义类型不会被随意替换,假设通过网络传递一个名为java.lang.Integer的类,通过双亲委托模式传递到启动类加载器,而启动类加载器在核心Java API发现这个名字的类,发现该类已被加载,并不会重新加载网络传递的过来的java.lang.Integer,而直接返回已加载过的Integer.class,这样便可以防止核心API库被随意篡改

1.2.2 运行时数据区,也就是JVM的内存部分组成成分

1.方法区(Method Area)、2.JAVA堆(Java Heap)、3.虚拟机栈(JVM Stack)、4.程序计数器、5.本地方法栈(Native Method Stack)组成

  1. 方法区(JDK1.8移除)
    方法区是各线程共享的内存区域,它用于存储已被JVM加载的类信息、常量、静态变量、运行时常量池等数据。

  2. java堆
    Java堆是各线程共享的内存区域,在JVM启动时创建,这块区域是JVM中最大的, 用于存储应用的对象和数组,也是GC主要的回收区,

  3. java栈
    Java栈是线程私有的,是在线程创建时创建,它的生命期是跟随线程的生命期,线程结束栈内存也就释放,对于栈来说不存在垃圾回收问题,只要线程一结束该栈就Over,生命周期和线程一致。基本类型的变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分配。

  4. 本地方法栈

本地方法栈和JVM栈发挥的作用非常相似,也是线程私有的,区别是JVM栈为JVM执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈为JVM使用到的Native方法服务。它的具体做法是在本地方法栈中登记native方法,在执行引擎执行时加载Native Liberies。

  1. 程序计数器

程序计数器是一块非常小的内存空间,几乎可以忽略不计,每个线程都有一个程序计算器,是线程私有的,可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器,指向方法区中的方法字节码(下一个将要执行的指令代码),由执行引擎读取下一条指令。

1.2.3 执行引擎(Execution Engine)

执行引擎执行包在装载类的方法中的指令,也就是方法。执行引擎以指令为单位读取Java字节码。它就像一个CPU一样,一条一条地执行机器指令。每个字节码指令都由一个1字节的操作码和附加的操作数组成。执行引擎取得一个操作码,然后根据操作数来执行任务,完成后就继续执行下一条操作码。

1.2.4 垃圾回收

垃圾回收就是回收内存中不再使用的对象。所谓使用中的对象(已引用对象),指的是程序中有指针指向的对象。而未使用中的对象(未引用对象),则没有被任何指针给指向,因此占用的内存也可以被回收掉。

垃圾回收基本步骤分两步:

查找内存中不再使用的对象(GC判断策略)。
释放这些对象占用的内存(GC收集算法)。

JVM调优命令

Sun JDK监控和故障处理命令有jps jstat jmap jhat jstack jinfo

jps,JVM Process Status Tool,显示指定系统内所有的HotSpot虚拟机进程。
jstat,JVM statistics Monitoring是用于监视虚拟机运行时状态信息的命令,它可以显示出虚拟机进程中的类装载、内存、垃圾收集、JIT编译等运行数据。
jmap,JVM Memory Map命令用于生成heap dump文件
jhat,JVM Heap Analysis Tool命令是与jmap搭配使用,用来分析jmap生成的dump,jhat内置了一个微型的HTTP/HTML服务器,生成dump的分析结果后,可以在浏览器中查看
jstack,用于生成java虚拟机当前时刻的线程快照。
jinfo,JVM Configuration info 这个命令作用是实时查看和调整虚拟机运行参数。

调优工具

常用调优工具分为两类,jdk自带监控工具:jconsole和jvisualvm,第三方有:MAT(Memory Analyzer Tool)、GChisto。

jconsole,Java Monitoring and Management Console是从java5开始,在JDK中自带的java监控和管理控制台,用于对JVM中内存,线程和类等的监控
jvisualvm,jdk自带全能工具,可以分析内存快照、线程快照;监控内存变化、GC变化等。
MAT,Memory Analyzer Tool,一个基于Eclipse的内存分析工具,是一个快速、功能丰富的Java heap分析工具,它可以帮助我们查找内存泄漏和减少内存消耗
GChisto,一款专业分析gc日志的工具

https://github.com/Homiss/Java-interview-questions/blob/master/JVM/JVM%E9%9D%A2%E8%AF%95%E9%A2%98.md
https://www.javacodegeeks.com/2018/04/jvm-architecture-jvm-class-loader-and-runtime-data-areas.html

https://www.javacodegeeks.com/2018/04/jvm-architecture-overview-of-jvm-and-jvm-architecture.html#comments

https://zhuanlan.zhihu.com/p/373521484

https://www.zhihu.com/question/28477388

https://www.cnblogs.com/whhjava/p/9916626.html

https://www.jb51.net/article/211284.htm


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