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:
JVM包含哪几部分
JVM 主要由四大部分组成:ClassLoader(类加载器),Runtime Data Area(运行时数据区,内存分区),Execution Engine(执行引擎),Native Interface(本地库接口),下图可以大致描述JVM 的结构。