JVM——内存管理机制

一. JVM的基本架构

JVM基本架构.jpg

二.什么是JVM

JRE = Java API + JVM

• Java虚拟机的本质：

是一个应用程序，是一个进程
Java通过JVM来解释字节码文件达到执行java程序的目的，也就是通过Class Loader来加载class文件，并且按照Java API来执行加载的程序

• Java程序运行过程：

Java命令会启动JVM，即启动一个进程，该进程会启动一个主线程，主线程会调用某个类的main方法

• JVM到底有几个：

一个main函数表示一个Java程序，每个Java程序启动分配一个JVM实例，即启动一个JVM
Java之所以能实现跨平台，一次编译到处运行，本质原因是JVM不是跨平台

三. Java程序运行原理

Java程序的运行流程：

• 创建字节码文件对象：

类加载器加载编译好的class字节码文件到方法区中（Method Area），到堆内存heap中自动创建一个Class字节码文件对象，并验证字节码文件的正确性

Java编译一个类时，如果这个类所依赖的类还没有被编译，编译器就会先编译这个被依赖的类，然后引用，否则直接引用

编译后的字节码文件格式主要分为两部分：常量池和方法字节码
常量池记录的是代码出现过的所有token(类名，成员变量名等等)以及符号引用（方法引用，成员变量引用等等）；方法字节码放的是类中各个方法的字节码

在加载类的时候，包含main方法的类会先被加载，他会加载所有需要的类，这些被加载的类又会加载他们所需要的类，以此类推

• 静态成员分配空间：

在方法区中给静态成员变量及静态方法分配内存

反编译.class文件可直接看到静态成员处全部已替换成常量，说明编译器直接把静态成员变量当作成MAX_VALUE这类的常量来处理了，静态成员变量属于类，而不属于任何对象

• 方法入栈：

main方法首先入栈，在栈内存中给局部变量分配空间，运行时可能会调用其他方法，此时该方法从方法区中入栈，给其中所有的局部变量分配栈帧，方法调用完成按先进后出的原则依次销毁

在主线程运行时可能会调用某个类，此时将创建一个此类的对象，在栈中分配栈帧存放对象地址，在堆中分配空间存放此类的所有成员变量及成员方法

• 默认初始化对象：

在常量池中给int等基本数据类型的常量分配空间，将类中的符号引用转化为地址，初始化类的时候若有父类则先初始化父类

若在主线程中启动了另外的线程，则在JVM会在内存中会继续给新线程分配一个线程栈，线程程序计数器（PC）以及本地方法栈（native）

JVM的类执行机制：

• JVM是基于栈的体系结构来执行class字节码的，每一个JVM只有一个堆和方法区，但可以有很多线程

• 每一个线程创建后，都会产生程序计数器（PC）和栈（Stack）以及native方法栈，实现线程的独立
• 程序计数器存放下一条要执行的指令在方法内的偏移量，在CPU对不同线程进行调度的时候，快速恢复现场，本质上是当前线程所执行字节码的行号计数器
• 栈中存放一个个栈帧，每个栈帧对应着每个方法的每次调用，而栈帧又是有局部变量区和操作数栈两部分组成，局部变量区用于存放方法中的局部变量和参数，操作数栈中用于存放方法执行过程中产生的中间结果
• Java只能通过本地方法栈来实现对底层C/C++方法的调用
• 方法区存放了要加载的类信息、静态变量、final类型的常量、属性和方法信息

四.Java的自动垃圾回收机制（GC）

Java中垃圾机制会自动回收不再使用的一些对象，释放内存空间(堆+栈)

• GC算法：引用记数法和根搜索算法

• 引用记数法：给堆中的每一个对象增加一个引用计数器来，每次创建一个对象并赋值给变量时，引用计数器+1，对象不再使用时计数器-1，计数器为0的时候被回收。引用计数法无法处理循环引用，此时需要手动调用System.gc()回收资源
  
  
  
• 根搜索算法：通过GC root的对象作为起始节点向下搜索，搜索走过的路径称为引用链，当一个对象到所有的GC root之间没有任何的引用链相连，则该对象不可用，Gc回收

• 事故

内存泄漏：内存空间已经申请，使用完毕后如果没有主动释放，会一直占用内存

野指针：栈上的对象引用指向的堆上的内存空间已经被释放

五.堆溢出与栈溢出

• 堆溢出（OutOfMemoryError）

java程序运行时不停地在堆上给对象实例分配空间,总会有超过堆空间界限的时候,这个时候就溢出了
/JVM堆默认的heapsize是内存大小的1/4

OutOfMemoryError.png

package com.cskaoyan.oom;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class OOMDemo
{
    public static void main(String[] args)
    {
        List list = new ArrayList<>();
        int i = 0;
        while (true)
        {
//定义一个List集合，不停地创建对象，往里面加元素
            MyEatClass myEatClass = new MyEatClass();
            list.add(myEatClass);
            System.out.println(i++);    
// 释放资源
            myEatClass = null;
        }
    }
}

class MyEatClass
{
//每创建一个事数组，在堆上分配4M空间，持续创建对象，堆空间迟早会被消耗完
    int[] mem = new int[1024 * 1024]; 
}

• 栈溢出（StackOverflowError）

在栈中，main方法不停地调用其它方法或者给对象引用分配栈帧,栈空间也会有分配完的时候,在这个时候就栈溢出了

StackOverFlow.png

public class StackOverFlowDemo
{
    public static void main(String[] args)
    {
//diGui()方法循环进栈，栈空间迟早会被消耗完
        digui();
    }

    public static void digui()
    {
//diGui方法中给局部变量分配16字节空间，递归自我调用，没有出口
        long l = 1l;
        long l2 = 1l;
        digui();
    }

}

• 获取和设置heapSize以及各种Memory

JVM内存使用是动态变化的,有一定的界限
maxMemory：初始化时JVM的最大可用内存,可通过-Xmx设置
freeMemory：当前JVM空闲内存
totalMemory：当前JVM已占用的内存
totalMemory = 当前JVM已使用的内存 + freeMemory
此三和getRuntime() 以及GC中的gc() 均是Runtime类静态方法

    public static void main(String[] args)
    {//返回字节数
        long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();
        System.out.println(maxMemory);

        long freeMemory = Runtime.getRuntime().freeMemory();
        System.out.println(freeMemory );

        long totalMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory();
        System.out.println(totalMemory);
     }

Memory.png