学习目的

1. 了解什么是JVM
2. 掌握JDK、JRE、JVM三者的区别与联系
3. 掌握JVM常用的内存结构分布与使用关系（栈、堆、方法区）
4. 了解JVM各内存结构的内部实现
5. 了解JVM常见问题

一.java虚拟机

1. JVM含义
   JVM全称Java Runtime Environment，常称java虚拟机，是java开发中最重要的一环。
2. JVM作用

• 实现java的跨平台性：所有java程序都在jvm上编译运行
• 实现java的健壮性：所有java程序编写完成后，需先经过JVM的javac编译器检查语法错误，再通过java运行器进行执行

1.1 JDK、JRE与JVM

1. JDK（Java Development Kit）
   JDK是Java的开发工具箱，提供了java开发中需要的运行环境以及各种封装好的接口和类。另外还有Java 语言软件开发工具包（SDK），属于移动app（安卓）的开发工具箱。
2. JRE（Java Runtime Environment）
   JRE是java运行环境，运行 java程序时所必须的环境的集合，JRE包含了 JVM 标准实现及 Java核心类库。每一个操作系统若只想运行java程序而不需要开发java程序，只需要安装JRE即可。

3. JVM（Java Virtual Machine）
   JVM是java虚拟机，是一种用于计算设备的规范，是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

   
   
   jdk、jre与jvm关系图.png

1.1.1 区别与联系

1. 联系
   JDK包括JRE，JRE包括JVM，JDK是最大的范围。
2. 区别

• 若只需要运行java程序，JRE是可以独立安装的，JVM是不能独立安装的。安装JRE的时候，JVM也自动安装
• JDK是包含了JRE和JVM的，因此是可以独立安装的。安装JDK的时候，JRE及其内部的JVM也自动安装

3. 版本区别

• JDK8版本：在安装时会将有个两个JRE，除了在JDK目录下有一个JRE，还将会有一个独立的JRE目录
• JDK13版本：只有一个JDK目录，JRE内置在JDK中，没有独立的JRE。

1.2 java程序与JRE，JVM关系

java程序运行图.png

1.2.1 java程序执行流程

1. 编译期
   编译的实质是检查源代码的语法结构问题。

• 第一步：在硬盘的某个位置新建一个xxx.java文件；
• 第二步：使用记事本或其它文本编辑器打开xxx.java文件；
• 第三步：在xxx.java文件中编写符合java语法规则的源代码，保存；
• 第四步：windos键+R键，输入cmd，打开DOS命令窗口；
• 第五步：使用java编译器（javac 命令）对xxx.java文件进行编译；
• 第六步：若java源文件中的源代码符合语法规则，编译通过，生成class字节码文件；若java文件中的源代码违背语法规则，编译器报错，class文件不会生成。
• 第七步：编译通过后生成class字节码文件，并且一个java源文件可以生成多个class文件<一个class类对应生成一个class文件>。

2. 运行期（JRE运行）
   java程序的运行只需要JRE，又因为JRE的独立性，而拥有跨平台性。因此java程序经过编译后，程序的运行可以在windows操作系统上，也可以在macOS，还可以在Linux。

• 第一步：如果是在Linux上运行，将生成的class文件拷贝过去；
• 第二步：使用JRE自带命令工具--java命令 执行字节码；
• 第三步：java运行字节码文件后，启动JVM；
• 第四步：JVM启动后，通过外部独立的类装载器 ClassLoader从硬盘查找字节码文件，并装载到java虚拟机的方法区当中；
• 第五步：JVM开始调用class文件中的main方法，main方法被调用瞬间会在栈内存中分配所属的活动空间，此时发生压栈动作，main 方法的活动空间处于栈底；
• 第六步：JVM接着对字节码文件进行解释，形成二进制文件；

• 第七步：JVM将生成的二进制码交给Linux操作系统，操作系统执行二进制码和硬件进行交互，完成程序的功能。

  
  
  java程序运行与栈内存的压栈出栈图解.png

1.2.2 JVM的跨平台性实现

JVM跨平台实现.png

二.JVM的内存结构

1. JVM组成
   JVM内存主要分为虚拟机栈、方法区、堆内存、本地方法栈和程序计数器。其中方法区和堆内存又是数据共享区，是线程不安全的区域。

   
   
   jvm内存结构图.png

2. jvm内存结构说明

• Classload ：用来加载编译好提交过来的 .class字节码文件
• 执行引擎：用来执行编译和加载完成的java程序

• 本地方法接口：调用本地方法库，通过在本地系统的环境变量中配置classpath路径来指定本地方法库的位置。

  
  
  JVM内部结构图.png

2.1 虚拟机栈

1. 概念
   虚拟机栈描述的是 java方法执行的内存模型，每个方法在执行时会在栈内存中创建一个栈帧，一个方法就是一个栈帧。
   每个栈帧包含了局部变量<数组形式，0为this>、操作数区、动态链接、帧数据区<指向常量池的指针>、方法出口 等信息。
2. 特点
   虚拟机栈属于线程私有，生命周期和线程相同 。
3. 原理
   虚拟机栈 使用栈数据结构，以 栈帧 的方式存储调用的方法，每个方法从调用到结束的过程，都对应一个栈帧从入栈到出栈的过程。
4. 常见异常

• StackOverflowError异常：栈溢出，线程请求深度大于虚拟机所允许深度；调用的方法过多导致栈内存装不下，如方法递归调用。

• OutOfMemoryError异常：内存溢出，虚拟机无法动态扩展申请到足够的内存；

  
  
  虚拟机栈结构图.png

2.2 堆内存

1. 概念
   堆内存是JVM中 一块被所有线程共享数据的区域，主要用于创建对象（new对象），存储对象等；在虚拟机启动时创建。
2. 特点

• 线程共享区：使用堆数据结构存储各种对象，如this对象、实例化对象、new对象、构造器对象、实例变量<对象的属性>、数组等。
• GC管理区：自动垃圾回收器回收对象的区域，回收没有被引用指向的对象。

3. 分类
   堆内存主要分为：新生代堆、老年代堆、永久代。

• 新生代堆：占1/3堆内存；新生代中又包括eden区、from<S0>区、to<S1>区，三区比例默认8:1:1；
• 老年代堆：占2/3堆内存，用于存储旧的对象；当堆中创建一个新的对象时，会先去新生代的eden区查看有没有对象占用，有对象占用则移到s1区看是否能装得下，装不下则继续往后移到s2区，若s2也不能则将旧对象转到老年代区。从而将新对象存到eden区。

• 永久代：永久代在jdk1.8版本之前，容量大小固定；在jdk1.8版本以后存在元空间 -- 底层以数组结构存在，可扩容。

  
  
  堆内存结构图.png

2.3 方法区

1. 概念
   方法区是JVM中，一块用于存储已被即时译器编译后的代码等数据；包括类信息、字节码信息、静态方法、静态变量、常量池（基本类型常量池、字符串常量池<String使用final修饰的原因>）等。
2. 特点
   方法区是线程共享区，存储静态变量/静态方法（static）、数据常量池（final）、类加载信息、字节码信息、类信息<代码片段>。
3. 常见问题

• OutOfMemory异常：内存溢出，方法区无法满足内存分配需求。

  
  
  方法调用与内存分析.png

2.4 本地方法栈

1. 概念
   本地方法栈相似于虚拟机栈，只不过运行时的classpath地址指向本地，本地方法栈加载了已编写好的并且存在本地的类和接口，如rt.jar、dt.jar、tools.jar等。
2. 特点
   本地方法栈右"类创建者"编写，是线程私有一块区域，不允许"类消费者"修改，只允许调用。因此是线程安全的。
3. 常见问题

• StackOverflowError异常：
• OutOfMemoryError异常：

2.5 程序计数器

1. 概念
   程序计数器用于存储当前线程执行方法的 指令地址，是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
2. 特点
   线程私有的内存，java虚拟机中唯一不会产生error的内存区域。
3. 作用
   程序计数器会随着线程的启动而创建，指示线程该执行哪一个字节码文件或方法；是JVM中唯一不会出现内存溢出的一块区域。

三.JVM的内部实现

jvm内部实现图解.png

四.JVM分析常见问题

1. 虚拟机栈溢出

• 原因：JVM初始化的方法栈帧内存有限，当线程需要执行的方法过多时，内存不足，空间分配不均就会导致执行的方法无法存放而溢出；
• 原因：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，抛出 StackOverFlowError 异常；
• 场景：一般是使用递归<方法调用本身> 和 数组声明太大时出现，因此一般递归次数不超过15次。

2. 堆内存溢出OOM

• 原因：堆中存放的是对象实例，不断创建或初始化一些对象去占用空间，但创建后后不使用该对象；
• 原因：没有保证GC Root有可用路径回收清除掉对象，当可容纳对象数量达到最大堆容量限制时，就导致一部分内存不能使用造成浪费，而产生“堆内存溢出”。

3. 空指针异常

• 原因：对象地址为空或指向错误。在栈指向堆中，（局部变量）引用指向堆对象，但堆内存中的对象后续没有引用指向它出现空指针异常；
• 原因："空引用" 访问实例象相关的数据，即出现空指针异常，并触发GC垃圾回收机制。

4. 本地方法栈溢出

• 原因：虚拟机在扩展栈时无法申请到足够内存空间，抛出OutOfMemoryError 异常。
• 解决方法：减小最大堆-Xmx 和 栈容量-Xss来获取更多的线程数量。

5. 方法区和常量池溢出

• 有额外提示 PermGen space。

6. 本机直接内存溢出：

常见面试题

1. 什么是 JVM? 为什么称 Java 为跨平台的编程语言?
   答：

• JRE的独立存在性，java程序一旦编译后，只需要安装JRE就可以运行，而sun公司提供了适合不同操作系统的JRE版本，只需要将编译文件用到JRE上即可运行。一次编译，多地运行。

2. JDK 和 JRE之间的差异是什么？
   答：

• JDK内部包含了JRE，而JRE并未包含JDK；
• JDK和JRE都可以独立存在，但JRE仅支持java程序的运行，不支持java的编写和开发；JDK既支持程序开发，也支持程序运行。

3. 内存溢出和内存泄漏的区别是什么？
   答：

• 内存泄漏：在运行Java程序时，因分配出去的内存无法回收，称为内存泄漏；
• 内存溢出：在运行Java程序时，因系统内存不够用，导致程序崩溃称内存溢出。