JVM的内部结构——

如图所示，JVM主要包括两个子系统和两个组件。两个子系统分别是Class loader子系统和Execution engine(执行引擎) 子系统；两个组件分别是Runtime data area (运行时数据区域)组件和Native interface(本地接口)组件。

  Class loader子系统的作用：根据给定的全限定名类名(如 java.lang.Object)来装载class文件的内容到 Runtime data area中的method area(方法区域)。Java程序员可以extends java.lang.ClassLoader类来写自己的Class loader。  Execution engine子系统的作用：执行classes中的指令。任何JVM specification实现(JDK)的核心都是Execution engine，不同的JDK例如Sun 的JDK 和IBM的JDK好坏主要就取决于他们各自实现的Execution  engine的好坏。 Native interface组件：与native libraries交互，是其它编程语言交互的接口。当调用native方法的时候，就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界，所以也很容易出现JVM无法控制的native heap OutOfMemory。 Runtime Data Area组件：这就是我们常说的JVM的内存了。它主要分为五个部分—— 1、Heap (堆)：一个Java虚拟实例中只存在一个堆空间 2、Method Area(方法区域)：被装载的class的信息存储在Method area的内存中。当虚拟机装载某个类型时，它使用类装载器定位相应的class文件，然后读入这个class文件内容并把它传输到虚拟机中。 3、Java Stack(java的栈)：虚拟机只会直接对Java stack执行两种操作：以帧为单位的压栈或出栈 4、Program Counter(程序计数器)：每一个线程都有它自己的PC寄存器，也是该线程启动时创建的。PC寄存器的内容总是指向下一条将被执行指令的饿地址，这里的地址可以是一个本地指针，也可以是在方法区中相对应于该方法起始指令的偏移量。  5、Native method stack(本地方法栈)：保存native方法进入区域的地址 以上五部分只有Heap 和Method Area是被所有线程的共享使用的；而Java stack, Program counter 和Native method stack是以线程为粒度的，每个线程独自拥有自己的部分。 了解JVM的系统结构，再来看看JVM内存回收问题了—— Sun的JVM Generational Collecting(垃圾回收)原理是这样的：把对象分为年青代(Young)、年老代(Tenured)、持久代(Perm)，对不同生命周期的对象使用不同的算法。(基于对对象生命周期分析)

如上图所示，为Java堆中的各代分布。 

1. Young（年轻代） 年轻代分三个区。一个Eden区，两个Survivor区。大部分对象在Eden区中生成。当Eden区满时，还存活的对象将被复制到Survivor区（两个中的一个），当这个Survivor区满时，此区的存活对象将被复制到另外一个Survivor区，当这个Survivor去也满了的时候，从第一个Survivor区复制过来的并且此时还存活的对象，将被复制年老区(Tenured。需要注意，Survivor的两个区是对称的，没先后关系，所以同一个区中可能同时存在从Eden复制过来 对象，和从前一个Survivor复制过来的对象，而复制到年老区的只有从第一个Survivor去过来的对象。而且，Survivor区总有一个是空的。  2. Tenured（年老代） 年老代存放从年轻代存活的对象。一般来说年老代存放的都是生命期较长的对象。  3. Perm（持久代） 用于存放静态文件，如今Java类、方法等。持久代对垃圾回收没有显著影响，但是有些应用可能动态生成或者调用一些class，例如Hibernate等，在这种时候需要设置一个比较大的持久代空间来存放这些运行过程中新增的类。持久代大小通过-XX:MaxPermSize=进行设置。 举个例子：当在程序中生成对象时，正常对象会在年轻代中分配空间，如果是过大的对象也可能会直接在年老代生成（据观测在运行某程序时候每次会生成一个十兆的空间用收发消息，这部分内存就会直接在年老代分配）。年轻代在空间被分配完的时候就会发起内存回收，大部分内存会被回收，一部分幸存的内存会被拷贝至Survivor的from区，经过多次回收以后如果from区内存也分配完毕，就会也发生内存回收然后将剩余的对象拷贝至to区。等到to区也满的时候，就会再次发生内存回收然后把幸存的对象拷贝至年老区。 通常我们说的JVM内存回收总是在指堆内存回收，确实只有堆中的内容是动态申请分配的，所以以上对象的年轻代和年老代都是指的JVM的Heap空间，而持久代则是之前提到的Method Area，不属于Heap。 了解完这些之后，以下的转载一热衷于钻研技术的哥们Richen Wang关于内存管理的一些建议—— 1、手动将生成的无用对象，中间对象置为null，加快内存回收。 2、对象池技术 如果生成的对象是可重用的对象，只是其中的属性不同时，可以考虑采用对象池来较少对象的生成。如果有空闲的对象就从对象池中取出使用，没有再生成新的对象，大大提高了对象的复用率。 3、JVM调优 通过配置JVM的参数来提高垃圾回收的速度，如果在没有出现内存泄露且上面两种办法都不能保证内存的回收时，可以考虑采用JVM调优的方式来解决，不过一定要经过实体机的长期测试，因为不同的参数可能引起不同的效果。如-Xnoclassgc参数等。 推荐的两款内存检测工具 1、jconsole  JDK自带的内存监测工具，路径jdk bin目录下jconsole.exe，双击可运行。连接方式有两种，第一种是本地方式如调试时运行的进程可以直接连，第二种是远程方式，可以连接以服务形式启动的进程。远程连接方式是：在目标进程的jvm启动参数中添加-Dcom.sun.management.jmxremote.port=1090 -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false -Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false  1090是监听的端口号具体使用时要进行修改，然后使用IP加端口号连接即可。通过该工具可以监测到当时内存的大小，CPU的使用量以及类的加载，还提供了手动gc的功能。优点是效率高，速度快，在不影响进行运行的情况下监测产品的运行。缺点是无法看到类或者对象之类的具体信息。使用方式很简单点击几下就可以知道功能如何了，确实有不明白之处可以上网查询文档。 2、JProfiler 收费的工具，但是到处都有破解办法。安装好以后按照配置调试的方式配置好一个本地的session即可运行。可以监测当时的内存、CPU、线程等，能具体的列出内存的占用情况，还可以就某个类进行分析。优点很多，缺点太影响速度，而且有的类可能无法被织入方法，例如我使用jprofiler时一直没有备份成功过，总会有一些类的错误。

这里和大家简单分享一下JAVA和运行的原理，Java语言写的源程序通过Java编译器，编译成与平台无关的‘字节码程序’(.class文件，也就是0，1二进制程序)，然后在OS之上的Java解释器中解释执行，而JVM是java的核心和基础，在java编译器和os平台之间的虚拟处理器

JAVA和JVM运行的原理

1.Java语言运行的过程

Java语言写的源程序通过Java编译器，编译成与平台无关的‘字节码程序’(.class文件，也就是0，1二进制程序)，然后在OS之上的Java解释器中解释执行。

也相当与

注：JVM（java虚拟机）包括解释器，不同的JDK虚拟机是相同的，解释器不同。

2.JVM：

JVM是java的核心和基础，在java编译器和os平台之间的虚拟处理器。它是一种利用软件方法实现的抽象的计算机基于下层的操作系统和硬件平台，可以在上面执行java的字节码程序。

java编译器只要面向JVM，生成JVM能理解的代码或字节码文件。Java源文件经编译成字节码程序，通过JVM将每一条指令翻译成不同平台机器码，通过特定平台运行。

JVM执行程序的过程 ：

I.加载。class文件

II.管理并分配内存

III.执行垃圾收集

JRE（java运行时环境）由JVM构造的java程序的运行环境 

一、         JVM的生命周期

1.       JVM实例对应了一个独立运行的java程序它是进程级别

a)     启动。启动一个Java程序时，一个JVM实例就产生了，任何一个拥有public static void main(String[] args)函数的class都可以作为JVM实例运行的起点

b)     运行。main()作为该程序初始线程的起点，任何其他线程均由该线程启动。JVM内部有两种线程：守护线程和非守护线程，main()属于非守护线程，守护线程通常由JVM自己使用，java程序也可以标明自己创建的线程是守护线程

c)     消亡。当程序中的所有非守护线程都终止时，JVM才退出；若安全管理器允许，程序也可以使用Runtime类或者System.exit()来退出

2.       JVM执行引擎实例则对应了属于用户运行程序的线程它是线程级别的

 

二、         JVM的体系结构

 

1.       类装载器（ClassLoader）（用来装载.class文件）

2.       执行引擎（执行字节码，或者执行本地方法）

3.       运行时数据区（方法区、堆、java栈、PC寄存器、本地方法栈）

 

三、         JVM类加载器

JVM整个类加载过程的步骤：

1.       装载

装载过程负责找到二进制字节码并加载至JVM中，JVM通过类名、类所在的包名通过ClassLoader来完成类的加载，同样，也采用以上三个元素来标识一个被加载了的类：类名+

包名+ClassLoader实例ID。

2.       链接

链接过程负责对二进制字节码的格式进行校验、初始化装载类中的静态变量以及解析类中调用的接口、类。

完成校验后，JVM初始化类中的静态变量，并将其值赋为默认值。

最后对类中的所有属性、方法进行验证，以确保其需要调用的属性、方法存在，以及具备应的权限（例如public、private域权限等），会造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等错误信息。

3.       初始化

初始化过程即为执行类中的静态初始化代码、构造器代码以及静态属性的初始化，在四种情况下初始化过程会被触发执行：

调用了new；

反射调用了类中的方法；

子类调用了初始化；

JVM启动过程中指定的初始化类。

 

JVM类加载顺序：

JVM两种类装载器包括：启动类装载器和用户自定义类装载器。

启动类装载器是JVM实现的一部分；

用户自定义类装载器则是Java程序的一部分，必须是ClassLoader类的子类。

JVM装载顺序：

                Jvm启动时，由Bootstrap向User-Defined方向加载类；

                应用进行ClassLoader时，由User-Defined向Bootstrap方向查找并加载类；

1.       Bootstrap ClassLoader

这是JVM的根ClassLoader，它是用C++实现的，JVM启动时初始化此ClassLoader，并由此ClassLoader完成$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar（Sun JDK的实现）中所有class文件的加载，这个jar中包含了java规范定义的所有接口以及实现。

2.       Extension ClassLoader

JVM用此classloader来加载扩展功能的一些jar包。

3.       System ClassLoader

JVM用此classloader来加载启动参数中指定的Classpath中的jar包以及目录，在Sun JDK中ClassLoader对应的类名为AppClassLoader。

4.       User-Defined ClassLoader

User-DefinedClassLoader是Java开发人员继承ClassLoader抽象类自行实现的ClassLoader，基于自定义的ClassLoader可用于加载非Classpath中的jar以及目录。

 

ClassLoader抽象类的几个关键方法：

（1）       loadClass

此方法负责加载指定名字的类，ClassLoader的实现方法为先从已经加载的类中寻找，如没有则继续从parent ClassLoader中寻找，如仍然没找到，则从System ClassLoader中寻找，最后再调用findClass方法来寻找，如要改变类的加载顺序，则可覆盖此方法

（2）       findLoadedClass

此方法负责从当前ClassLoader实例对象的缓存中寻找已加载的类，调用的为native的方法。

（3）       findClass

此方法直接抛出ClassNotFoundException，因此需要通过覆盖loadClass或此方法来以自定义的方式加载相应的类。

（4）       findSystemClass

此方法负责从System ClassLoader中寻找类，如未找到，则继续从Bootstrap ClassLoader中寻找，如仍然为找到，则返回null。

（5）       defineClass

此方法负责将二进制的字节码转换为Class对象

（6）       resolveClass

此方法负责完成Class对象的链接，如已链接过，则会直接返回。

 

四、         JVM执行引擎

在执行方法时JVM提供了四种指令来执行：

（1）invokestatic：调用类的static方法

（2）invokevirtual：调用对象实例的方法

（3）invokeinterface：将属性定义为接口来进行调用

（4）invokespecial：JVM对于初始化对象（Java构造器的方法为：<init>）以及调用对象实例中的私有方法时。

 

主要的执行技术有:

解释，即时编译，自适应优化、芯片级直接执行

（1）解释属于第一代JVM，

（2）即时编译JIT属于第二代JVM，

（3）自适应优化（目前Sun的HotspotJVM采用这种技术）则吸取第一代JVM和第二代

JVM的经验，采用两者结合的方式

开始对所有的代码都采取解释执行的方式，并监视代码执行情况，然后对那些经常调用的方法启动一个后台线程，将其编译为本地代码，并进行优化。若方法不再频繁使用，则取消编译过的代码，仍对其进行解释执行。

 

五、         JVM运行时数据区

第一块：PC寄存器

PC寄存器是用于存储每个线程下一步将执行的JVM指令，如该方法为native的，则PC寄存器中不存储任何信息。

第二块：JVM栈

JVM栈是线程私有的，每个线程创建的同时都会创建JVM栈，JVM栈中存放的为当前线程中局部基本类型的变量（java中定义的八种基本类型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double）、部分的返回结果以及Stack Frame，非基本类型的对象在JVM栈上仅存放一个指向堆上的地址

第三块：堆（Heap）

它是JVM用来存储对象实例以及数组值的区域，可以认为Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配，Heap中的对象的内存需要等待GC进行回收。

（1）       堆是JVM中所有线程共享的，因此在其上进行对象内存的分配均需要进行加锁，这也导致了new对象的开销是比较大的

（2）       Sun Hotspot JVM为了提升对象内存分配的效率，对于所创建的线程都会分配一块独立的空间TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根据运行的情况计算而得，在TLAB上分配对象时不需要加锁，因此JVM在给线程的对象分配内存时会尽量的在TLAB上分配，在这种情况下JVM中分配对象内存的性能和C基本是一样高效的，但如果对象过大的话则仍然是直接使用堆空间分配

（3）       TLAB仅作用于新生代的Eden Space，因此在编写Java程序时，通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效。

第四块：方法区域（Method Area）

（1）在Sun JDK中这块区域对应的为PermanetGeneration，又称为持久代。

（2）方法区域存放了所加载的类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态变量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息，当开发人员在程序中通过Class

对象中的getName、isInterface等方法来获取信息时，这些数据都来源于方法区域，同时方法区域也是全局共享的，在一定的条件下它也会被GC，当方法区域需要使用的内存超过其允许的大小时，会抛出OutOfMemory的错误信息。

第五块：运行时常量池（Runtime Constant Pool）

存放的为类中的固定的常量信息、方法和Field的引用信息等，其空间从方法区域中分配。

第六块：本地方法堆栈（Native Method Stacks）

JVM采用本地方法堆栈来支持native方法的执行，此区域用于存储每个native方法调用的状态。

 

六、         JVM垃圾回收

GC的基本原理：将内存中不再被使用的对象进行回收，GC中用于回收的方法称为收集器，由于GC需要消耗一些资源和时间，Java在对对象的生命周期特征进行分析后，按照新生代、旧生代的方式来对对象进行收集，以尽可能的缩短GC对应用造成的暂停

（1）对新生代的对象的收集称为minor GC；

（2）对旧生代的对象的收集称为Full GC；

（3）程序中主动调用System.gc()强制执行的GC为Full GC。

不同的对象引用类型， GC会采用不同的方法进行回收，JVM对象的引用分为了四种类型：

（1）强引用：默认情况下，对象采用的均为强引用（这个对象的实例没有其他对象引用，GC时才会被回收）

（2）软引用：软引用是Java中提供的一种比较适合于缓存场景的应用（只有在内存不够用的情况下才会被GC）

（3）弱引用：在GC时一定会被GC回收

（4）虚引用：由于虚引用只是用来得知对象是否被GC