JVM是我們Javaer的最基本功底了，剛開始學Java的時候，一般都是從“Hello World”開始的，然后會寫個復雜點class，然后再找一些開源框架，比如Spring，Hibernate等等，再然后就開發(fā)企業(yè)級的應用，比如網(wǎng)站、企業(yè)內部應用、實時交易系統(tǒng)等等，直到某一天突然發(fā)現(xiàn)做的系統(tǒng)咋就這么慢呢，而且時不時還來個內存溢出什么的，今天是交易系統(tǒng)報了StackOverflowError，明天是網(wǎng)站系統(tǒng)報了個OutOfMemoryError，這種錯誤又很難重現(xiàn)，只有分析Javacore和dump文件，運氣好點還能分析出個結果，運行遭的點，就直接去廟里燒香吧！每天接客戶的電話都是戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢的，生怕再出什么幺蛾子了。我想Java做的久一點的都有這樣的經(jīng)歷，那這些問題的最終根結是在哪呢？—— JVM。
JVM全稱是Java Virtual Machine，Java虛擬機，也就是在計算機上再虛擬一個計算機，這和我們使用 VMWare不一樣，那個虛擬的東西你是可以看到的，這個JVM你是看不到的，它存在內存中。我們知道計算機的基本構成是：運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設備，那這個JVM也是有這成套的元素，運算器是當然是交給硬件CPU還處理了，只是為了適應“一次編譯，隨處運行”的情況，需要做一個翻譯動作，于是就用了JVM自己的命令集，這與匯編的命令集有點類似，每一種匯編命令集針對一個系列的CPU，比如8086系列的匯編也是可以用在8088上的，但是就不能跑在8051上，而JVM的命令集則是可以到處運行的，因為JVM做了翻譯，根據(jù)不同的CPU，翻譯成不同的機器語言。
JVM中我們最需要深入理解的就是它的存儲部分，存儲？硬盤？NO，NO， JVM是一個內存中的虛擬機，那它的存儲就是內存了，我們寫的所有類、常量、變量、方法都在內存中，這決定著我們程序運行的是否健壯、是否高效，接下來的部分就是重點介紹之。
我們先把JVM這個虛擬機畫出來，如下圖所示：
從這個圖中可以看到，JVM是運行在操作系統(tǒng)之上的，它與硬件沒有直接的交互。我們再來看下JVM有哪些組成部分，如下圖所示：
q Class Loader 類加載器
類加載器的作用是加載類文件到內存，比如編寫一個HelloWord.java程序，然后通過javac編譯成class文件，那怎么才能加載到內存中被執(zhí)行呢？Class Loader承擔的就是這個責任，那不可能隨便建立一個.class文件就能被加載的，Class Loader加載的class文件是有格式要求，在《JVM Specification》中式這樣定義Class文件的結構：
ClassFile {
u4 magic;
u2 minor_version;
u2 major_version;
u2 constant_pool_count;
cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
u2 access_flags;
u2 this_class;
u2 super_class;
u2 interfaces_count;
u2 interfaces[interfaces_count];
u2 fields_count;
field_info fields[fields_count];
u2 methods_count;
method_info methods[methods_count];
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}
需要詳細了解的話，可以仔細閱讀《JVM Specification》的第四章“The class File Format”，這里不再詳細說明。
友情提示：Class Loader只管加載，只要符合文件結構就加載，至于說能不能運行，則不是它負責的，那是由Execution Engine負責的。
q Execution Engine 執(zhí)行引擎
執(zhí)行引擎也叫做解釋器(Interpreter)，負責解釋命令，提交操作系統(tǒng)執(zhí)行。
q Native Interface本地接口
本地接口的作用是融合不同的編程語言為Java所用，它的初衷是融合C/C++程序，Java誕生的時候是C/C++橫行的時候，要想立足，必須有一個聰明的、睿智的調用C/C++程序，于是就在內存中專門開辟了一塊區(qū)域處理標記為native的代碼，它的具體做法是Native Method Stack中登記native方法，在Execution Engine執(zhí)行時加載native libraies。目前該方法使用的是越來越少了，除非是與硬件有關的應用，比如通過Java程序驅動打印機，或者Java系統(tǒng)管理生產(chǎn)設備，在企業(yè)級應用中已經(jīng)比較少見，因為現(xiàn)在的異構領域間的通信很發(fā)達，比如可以使用Socket通信，也可以使用Web Service等等，不多做介紹。
q Runtime data area運行數(shù)據(jù)區(qū)
運行數(shù)據(jù)區(qū)是整個JVM的重點。我們所有寫的程序都被加載到這里，之后才開始運行，Java生態(tài)系統(tǒng)如此的繁榮，得益于該區(qū)域的優(yōu)良自治，下一章節(jié)詳細介紹之。
整個JVM框架由加載器加載文件，然后執(zhí)行器在內存中處理數(shù)據(jù)，需要與異構系統(tǒng)交互是可以通過本地接口進行，瞧，一個完整的系統(tǒng)誕生了！
所有的數(shù)據(jù)和程序都是在運行數(shù)據(jù)區(qū)存放，它包括以下幾部分：
q Stack 棧
棧也叫棧內存，是Java程序的運行區(qū)，是在線程創(chuàng)建時創(chuàng)建，它的生命期是跟隨線程的生命期，線程結束棧內存也就釋放，對于棧來說不存在垃圾回收問題，只要線程一結束，該棧就Over。問題出來了：棧中存的是那些數(shù)據(jù)呢？又什么是格式呢？
棧中的數(shù)據(jù)都是以棧幀（Stack Frame）的格式存在，棧幀是一個內存區(qū)塊，是一個數(shù)據(jù)集，是一個有關方法(Method)和運行期數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集，當一個方法A被調用時就產(chǎn)生了一個棧幀F1，并被壓入到棧中，A方法又調用了B方法，于是產(chǎn)生棧幀F2也被壓入棧，執(zhí)行完畢后，先彈出F2棧幀，再彈出F1棧幀，遵循“先進后出”原則。
那棧幀中到底存在著什么數(shù)據(jù)呢？棧幀中主要保存3類數(shù)據(jù)：本地變量（Local Variables），包括輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)以及方法內的變量；棧操作（Operand Stack），記錄出棧、入棧的操作；棧幀數(shù)據(jù)（Frame Data），包括類文件、方法等等。光說比較枯燥，我們畫個圖來理解一下Java棧，如下圖所示：
q Heap 堆內存
一個JVM實例只存在一個堆類存，堆內存的大小是可以調節(jié)的。類加載器讀取了類文件后，需要把類、方法、常變量放到堆內存中，以方便執(zhí)行器執(zhí)行，堆內存分為三部分：
Permanent Space 永久存儲區(qū)
永久存儲區(qū)是一個常駐內存區(qū)域，用于存放JDK自身所攜帶的Class,Interface的元數(shù)據(jù)，也就是說它存儲的是運行環(huán)境必須的類信息，被裝載進此區(qū)域的數(shù)據(jù)是不會被垃圾回收器回收掉的，關閉JVM才會釋放此區(qū)域所占用的內存。
Young Generation Space 新生區(qū)
新生區(qū)是類的誕生、成長、消亡的區(qū)域，一個類在這里產(chǎn)生，應用，最后被垃圾回收器收集，結束生命。新生區(qū)又分為兩部分：伊甸區(qū)（Eden space）和幸存者區(qū)（Survivor pace），所有的類都是在伊甸區(qū)被new出來的。幸存區(qū)有兩個： 0區(qū)（Survivor 0 space）和1區(qū)（Survivor 1 space）。當伊甸園的空間用完時，程序又需要創(chuàng)建對象，JVM的垃圾回收器將對伊甸園區(qū)進行垃圾回收，將伊甸園區(qū)中的不再被其他對象所引用的對象進行銷毀。然后將伊甸園中的剩余對象移動到幸存0區(qū)。若幸存0區(qū)也滿了，再對該區(qū)進行垃圾回收，然后移動到1區(qū)。那如果1區(qū)也滿了呢？再移動到養(yǎng)老區(qū)。
Tenure generation space養(yǎng)老區(qū)
養(yǎng)老區(qū)用于保存從新生區(qū)篩選出來的JAVA對象，一般池對象都在這個區(qū)域活躍。 三個區(qū)的示意圖如下：
方法區(qū)是被所有線程共享，該區(qū)域保存所有字段和方法字節(jié)碼，以及一些特殊方法如構造函數(shù)，接口代碼也在此定義。
q PC Register 程序計數(shù)器
每個線程都有一個程序計數(shù)器，就是一個指針，指向方法區(qū)中的方法字節(jié)碼，由執(zhí)行引擎讀取下一條指令。
q Native Method Stack 本地方法棧
問：堆和棧有什么區(qū)別
答：堆是存放對象的，但是對象內的臨時變量是存在棧內存中，如例子中的methodVar是在運行期存放到棧中的。
棧是跟隨線程的，有線程就有棧，堆是跟隨JVM的，有JVM就有堆內存。
問：堆內存中到底存在著什么東西？
答：對象，包括對象變量以及對象方法。
問：類變量和實例變量有什么區(qū)別？
答：靜態(tài)變量是類變量，非靜態(tài)變量是實例變量，直白的說，有static修飾的變量是靜態(tài)變量，沒有static修飾的變量是實例變量。靜態(tài)變量存在方法區(qū)中，實例變量存在堆內存中。
問：我聽說類變量是在JVM啟動時就初始化好的，和你這說的不同呀！
答：那你是道聽途說，信我的，沒錯。
問：Java的方法（函數(shù)）到底是傳值還是傳址？
答：都不是，是以傳值的方式傳遞地址，具體的說原生數(shù)據(jù)類型傳遞的值，引用類型傳遞的地址。對于原始數(shù)據(jù)類型，JVM的處理方法是從Method Area或Heap中拷貝到Stack，然后運行frame中的方法，運行完畢后再把變量指拷貝回去。
問：為什么會產(chǎn)生OutOfMemory產(chǎn)生？
答：一句話：Heap內存中沒有足夠的可用內存了。這句話要好好理解，不是說Heap沒有內存了，是說新申請內存的對象大于Heap空閑內存，比如現(xiàn)在Heap還空閑1M，但是新申請的內存需要1.1M，于是就會報OutOfMemory了，可能以后的對象申請的內存都只要0.9M，于是就只出現(xiàn)一次OutOfMemory，GC也正常了，看起來像偶發(fā)事件，就是這么回事。 但如果此時GC沒有回收就會產(chǎn)生掛起情況，系統(tǒng)不響應了。
問：我產(chǎn)生的對象不多呀，為什么還會產(chǎn)生OutOfMemory？
答：你繼承層次忒多了，Heap中 產(chǎn)生的對象是先產(chǎn)生 父類，然后才產(chǎn)生子類，明白不？
問：OutOfMemory錯誤分幾種？
答：分兩種，分別是“OutOfMemoryError:java heap size”和”OutOfMemoryError: PermGen space”，兩種都是內存溢出，heap size是說申請不到新的內存了，這個很常見，檢查應用或調整堆內存大小。
“PermGen space”是因為永久存儲區(qū)滿了，這個也很常見，一般在熱發(fā)布的環(huán)境中出現(xiàn)，是因為每次發(fā)布應用系統(tǒng)都不重啟，久而久之永久存儲區(qū)中的死對象太多導致新對象無法申請內存，一般重新啟動一下即可。
問：為什么會產(chǎn)生StackOverflowError？
答：因為一個線程把Stack內存全部耗盡了，一般是遞歸函數(shù)造成的。
問：一個機器上可以看多個JVM嗎？JVM之間可以互訪嗎？
答：可以多個JVM，只要機器承受得了。JVM之間是不可以互訪，你不能在A-JVM中訪問B-JVM的Heap內存，這是不可能的。在以前老版本的JVM中，會出現(xiàn)A-JVM Crack后影響到B-JVM，現(xiàn)在版本非常少見。
問：為什么Java要采用垃圾回收機制，而不采用C/C++的顯式內存管理？
答：為了簡單，內存管理不是每個程序員都能折騰好的。
問：為什么你沒有詳細介紹垃圾回收機制？
答：垃圾回收機制每個JVM都不同，JVM Specification只是定義了要自動釋放內存，也就是說它只定義了垃圾回收的抽象方法，具體怎么實現(xiàn)各個廠商都不同，算法各異，這東西實在沒必要深入。
問：JVM中到底哪些區(qū)域是共享的？哪些是私有的？
答：Heap和Method Area是共享的，其他都是私有的，
問：什么是JIT，你怎么沒說？
答：JIT是指Just In Time，有的文檔把JIT作為JVM的一個部件來介紹，有的是作為執(zhí)行引擎的一部分來介紹，這都能理解。Java剛誕生的時候是一個解釋性語言，別噓，即使編譯成了字節(jié)碼（byte code）也是針對JVM的，它需要再次翻譯成原生代碼(native code)才能被機器執(zhí)行，于是效率的擔憂就提出來了。Sun為了解決該問題提出了一套新的機制，好，你想編譯成原生代碼，沒問題，我在JVM上提供一個工具，把字節(jié)碼編譯成原生碼，下次你來訪問的時候直接訪問原生碼就成了，于是JIT就誕生了，就這么回事。
問：JVM還有哪些部分是你沒有提到的？
答：JVM是一個異常復雜的東西，寫一本磚頭書都不為過，還有幾個要說明的：
常量池（constant pool）：按照順序存放程序中的常量，并且進行索引編號的區(qū)域。比如int i =100，這個100就放在常量池中。
安全管理器（Security Manager）：提供Java運行期的安全控制，防止惡意攻擊，比如指定讀取文件，寫入文件權限，網(wǎng)絡訪問，創(chuàng)建進程等等，Class Loader在Security Manager認證通過后才能加載class文件的。
方法索引表（Methods table），記錄的是每個method的地址信息，Stack和Heap中的地址指針其實是指向Methods table地址。
問：為什么不建議在程序中顯式的生命System.gc()？
答：因為顯式聲明是做堆內存全掃描，也就是Full GC，是需要停止所有的活動的（Stop The World Collection），你的應用能承受這個嗎？
問：JVM有哪些調整參數(shù)？
答：非常多，自己去找，堆內存、棧內存的大小都可以定義，甚至是堆內存的三個部分、新生代的各個比例都能調整。
