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查缺补漏-Jvm

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本章是整理知识内容，为强化知识长期更新。

JVM的内存布局

  1. 堆

    • 堆（Java Heap） 也叫 Java 堆或者是 GC 堆，它是一个线程共享的内存区域，也是 JVM 中占用内存最大的一块区域，Java 中所有的对象都存储在这里。

      • Java堆区具有下面几个特点：
        • 存储的是我们new来的对象，不存放基本类型和对象引用。
        • 由于创建了大量的对象，垃圾回收器主要工作在这块区域。
        • 线程共享区域，因此是线程不安全的。
        • 能够发生内存溢出，主要有OutOfMemoryError和StackOverflowError。
      • 那么什么时候发生OutOfMemoryError，什么时候发生StackOverflowError？虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，将抛出OutOfMemoryError异常，线程请求的栈深度超过虚拟机所允许的最大深度，将抛出StackOverflowError异常。
      • Java堆区还可以划分为新生代和老年代，新生代又可以进一步划分为Eden区、Survivor 1区、Survivor 2区。具体比例参数的话，可以看一下下面这张图。

  2. 方法区

    • 方法区（Method Area） 也被称为非堆区，用于和“Java 堆”的概念进行区分，它也是线程共享的内存区域，用于存储已经被 JVM 加载的类型信息、常量、静态变量、代码缓存等数据。

  3. 程序计数器

    • 程序计数器（Program Counter Register） 线程独有一块很小的内存区域，保存当前线程所执行字节码的位置，包括正在执行的指令、跳转、分支、循环、异常处理等。

  • Java栈具备的特点

  • 线程私有区域，每一个线程都有独享一个虚拟机栈，因此这是线程安全的区域。

  • 存放基本数据类型以及对象的引用。

  • 每一个方法执行的时候会在虚拟机栈中创建一个相应栈帧，方法执行完毕后该栈帧就会被销毁。方法栈帧是以先进后出的方式虚拟机栈的。

  • 每一个栈帧又可以划分为局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口以及额外的附加信息。

    • 这个区域可能有两种异常：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常（通常是递归导致的）；JVM动态扩展时无法申请到足够内存则抛出OutOfMemoryError异常。

  1. 虚拟机栈

    • 虚拟机栈也叫 Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），和程序计数器相同它也是线程独享的，用来描述 Java 方法的执行，在每个方法被执行时就会同步创建一个栈帧，用来存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。当调用方法时执行入栈，而方法返回时执行出栈。

  2. 本地方法栈

    • 本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈类似，它是线程独享的，并且作用也和虚拟机栈类似。只不过虚拟机栈是为虚拟机中执行的 Java 方法服务的，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。
  • JVM 的执行流程是，首先先把 Java 代码（.java）转化成字节码（.class），然后通过类加载器将字节码加载到内存中，所谓的内存也就是我们上面介绍的运行时数据区，但字节码并不是可以直接交给操作系统执行的机器码，而是一套 JVM 的指令集。这个时候需要使用特定的命令解析器也就是我们俗称的执行引擎（Execution Engine）将字节码翻译成可以被底层操作系统执行的指令再去执行，这样就实现了整个 Java 程序的运行，这也是 JVM 的整体执行流程。

Java虚拟机是如何加载Java类的

符号引用和直接引用有一个重要的区别：使用符号引用时被引用的目标不一定已经加载到内存中；而使用直接引用时，引用的目标必定已经存在虚拟机的内存中了。

  • 类的生命周期会经历以下 7 个阶段：

  1. 加载阶段（Loading）
  2. 验证阶段（Verification）
  3. 准备阶段（Preparation）
  4. 解析阶段（Resolution）
  5. 初始化阶段（Initialization）
  6. 使用阶段（Using）
  7. 卸载阶段（Unloading）
  • 具体含义

  1. 加载阶段
    此阶段用于查到相应的类（通过类名进行查找）并将此类的字节流转换为方法区运行时的数据结构，然后再在内存中生成一个能代表此类的 java.lang.Class 对象，作为其他数据访问的入口。

    • Java语言的类型可以分为两大类：基本类型、引用类型。基本类型是由虚拟机预先定义好的，所以不会经历单独的类加载过程。而引用类型又分为四种：类、接口、数组类、泛型参数。由于泛型参数会在编译的过程中被擦除（关于类型擦除的知识，大家可以查下资料），所以在Java中只有类、接口、数组类三种类型需要经历JVM对其进行连接和初始化的过程。

  2. 验证阶段
    此步骤主要是为了验证字节码的安全性，如果不做安全校验的话可能会载入非安全或有错误的字节码，从而导致系统崩溃，它是 JVM 自我保护的一项重要举措。

    • 验证的主要动作大概有以下几个：
      • 文件格式校验包括常量池中的常量类型、Class 文件的各个部分是否被删除或被追加了其他信息等；
      • 元数据校验包括父类正确性校验（检查父类是否有被 final 修饰）、抽象类校验等；
      • 字节码校验，此步骤最为关键和复杂，主要用于校验程序中的语义是否合法且符合逻辑；
      • 符号引用校验，对类自身以外比如常量池中的各种符号引用的信息进行匹配性校验。

  3. 准备阶段
    此阶段是用来初始化并为类中定义的静态变量分配内存的，这些静态变量会被分配到方法区上。这些变量所使用的内存都将在方法区（<Jdk1.8）元数据区（>=Jdk1.8）中进行分配。这时候进行内存分配的仅包括类变量，而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化的时候随对象一起分配在Java堆中。

  4. 解析阶段
    此阶段主要是用来解析类、接口、字段及方法的，解析时会把符号引用替换成直接引用。

    1. 所谓的符号引用是指以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可；而直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。
    2. 符号引用和直接引用有一个重要的区别：使用符号引用时被引用的目标不一定已经加载到内存中；而使用直接引用时，引用的目标必定已经存在虚拟机的内存中了。

  5. 初始化
    初始化阶段 JVM 就正式开始执行类中编写的 Java 业务代码了。到这一步骤之后，类的加载过程就算正式完成了。

    1. JVM 规范枚举了下述多种触发情况：
       1. 当虚拟机启动时，初始化用户指定的主类；
 2. 当遇到用以新建目标类实例的 new 指令时，初始化 new 指令的目标类;
 3. 当遇到调用静态方法的指令时，初始化该静态方法所在的类;
 4. 当遇到访问静态字段的指令时，初始化该静态字段所在的类；子类的初始化会触发父类的初始化;
 5. 如果一个接口定义了 default 方法，那么直接实现或者间接实现该接口的类的初始化，会触发该接口的初始化;
 6. 使用反射 API 对某个类进行反射调用时，初始化这个类；
 7. 当初次调用 MethodHandle 实例时，初始化该 MethodHandle 指向的方法所在的类。