【JVM】JVM概述-编程知识

JVM概述

基本介绍

JVM：全称 Java Virtual Machine，即 Java 虚拟机，一种规范，本身是一个虚拟计算机，直接和操作系统进行交互，与硬件不直接交互，而操作系统可以帮我们完成和硬件进行交互的工作
特点：

Java 虚拟机基于二进制字节码执行，由一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆、一个方法区等组成
JVM 屏蔽了与操作系统平台相关的信息，从而能够让 Java 程序只需要生成能够在 JVM 上运行的字节码文件，通过该机制实现的跨平台性

Java 代码执行流程：Java 程序 --（编译）–> 字节码文件 --（解释执行）–> 操作系统（Win，Linux）
JVM 结构：

JVM 是执行Java 程序的虚拟计算机系统，那我们来看看执行过程：首先需要准备好编译好的Java 字节码文件（即class文件），计算机要运行程序需要先通过一定方式（类加载器）将class 文件加载到内存中（运行时数据区），但是字节码文件是JVM定义的一套指令集规范，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释器（执行引擎）将字节码翻译成特定的操作系统指令集交给CPU 去执行，这个过程中会需要调用到一些不同语言为Java 提供的接口（例如驱动、地图制作等），这就用到了本地Native 接口（本地库接口）。

ClassLoader：负责加载字节码文件即class 文件，class 文件在文件开头有特定的文件标示，并且ClassLoader 只负责class 文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine 决定。
Runtime Data Area：是存放数据的，分为五部分：Stack（虚拟机栈），Heap（堆），Method Area（方法区），PC Register（程序计数器），Native Method Stack（本地方法栈）。几乎所有的关于Java 内存方面的问题，都是集中在这块。
Execution Engine：执行引擎，也叫Interpreter。Class 文件被加载后，会把指令和数据信息放入内存中，Execution Engine 则负责把这些命令解释给操作系统，即将JVM 指令集翻译为操作系统指令集。
Native Interface：负责调用本地接口的。他的作用是调用不同语言的接口给JAVA 用，他会在Native Method Stack （本地方法栈）中记录对应的本地方法，然后调用该方法时就通过Execution Engine 加载对应的本地lib。原本多用于一些专业领域，如JAVA驱动，地图制作引擎等，现在关于这种本地方法接口的调用已经被类似于Socket通信，WebService等方式取代。

JVM、JRE、JDK 对比：

JDK(Java SE Development Kit)：Java 标准开发包，提供了编译、运行 Java 程序所需的各种工具和资源
JRE( Java Runtime Environment)：Java 运行环境，用于解释执行 Java 的字节码文件

架构模型

Java 编译器输入的指令流是一种基于栈的指令集架构。因为跨平台的设计，Java 的指令都是根据栈来设计的，不同平台 CPU 架构不同，所以不能设计为基于寄存器架构

基于栈式架构的特点：
- 设计和实现简单，适用于资源受限的系统
- 使用零地址指令方式分配，执行过程依赖操作栈，指令集更小，编译器容易实现
  - 零地址指令：机器指令的一种，是指令系统中的一种不设地址字段的指令，只有操作码而没有地址码。这种指令有两种情况：一是无需操作数，另一种是操作数为默认的（隐含的），默认为操作数在寄存器（ACC）中，指令可直接访问寄存器
  - 一地址指令：一个操作码对应一个地址码，通过地址码寻找操作数
- 不需要硬件的支持，可移植性更好，更好实现跨平台
基于寄存器架构的特点：
- 需要硬件的支持，可移植性差
- 性能更好，执行更高效，寄存器比内存快
- 以一地址指令、二地址指令、三地址指令为主

生命周期

JVM 的生命周期分为三个阶段，分别为：启动、运行、死亡

启动：当启动一个 Java 程序时，通过引导类加载器（bootstrap class loader）创建一个初始类（initial class），对于拥有 main 函数的类就是 JVM 实例运行的起点
运行：
- main() 方法是一个程序的初始起点，任何线程均可由在此处启动
- 在 JVM 内部有两种线程类型，分别为：用户线程和守护线程，JVM 使用的是守护线程，main() 和其他线程使用的是用户线程，守护线程会随着用户线程的结束而结束
- 执行一个 Java 程序时，真真正正在执行的是一个 Java 虚拟机的进程
- JVM 有两种运行模式 Server 与 Client，两种模式的区别在于：Client 模式启动速度较快，Server 模式启动较慢；但是启动进入稳定期长期运行之后 Server 模式的程序运行速度比 Client 要快很多Server 模式启动的 JVM 采用的是重量级的虚拟机，对程序采用了更多的优化；Client 模式启动的 JVM 采用的是轻量级的虚拟机
死亡：
- 当程序中的用户线程都中止，JVM 才会退出
- 程序正常执行结束、程序异常或错误而异常终止、操作系统错误导致终止
- 线程调用 Runtime 类 halt 方法或 System 类 exit 方法，并且 Java 安全管理器允许这次 exit 或 halt 操作

内存结构

内存概述

内存结构是 JVM 中非常重要的一部分，是非常重要的系统资源，是硬盘和 CPU 的桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行，又叫运行时数据区
JVM 内存结构规定了 Java 在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了 JVM 的高效稳定运行

Java1.8 以前的内存结构图：
Java1.8 之后的内存结果图：

线程运行诊断：

定位：jps 定位进程 ID
jstack 进程 ID：用于打印出给定的 Java 进程 ID 或 core file 或远程调试服务的 Java 堆栈信息

常见 OOM 错误：

java.lang.StackOverflowError
java.lang.OutOfMemoryError：java heap space
java.lang.OutOfMemoryError：GC overhead limit exceeded
java.lang.OutOfMemoryError：Direct buffer memory
java.lang.OutOfMemoryError：unable to create new native thread
java.lang.OutOfMemoryError：Metaspace

面试题

Java程序是怎么运行的？

首先需要准备好编译好的Java 字节码文件（即class文件），计算机要运行程序需要先通过一定方式（类加载器）将class 文件加载到内存中（运行时数据区），但是字节码文件是JVM定义的一套指令集规范，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释器（执行引擎）将字节码翻译成特定的操作系统指令集交给CPU 去执行，这个过程中会需要调用到一些不同语言为Java 提供的接口（例如驱动、地图制作等），这就用到了本地Native 接口（本地库接口）。如下图：