为什么要了解虚拟机

• JVM不单单只支持Java语言，也支持其他语言（Scala、Kotlin、Groovy等等）
• 写出更好，更健壮的程序 （区块链1.0：比特币，区块链2.0：以太坊，以太坊中提供了EVM的虚拟机，它的实现和JVM类似，基于栈、生成脚本编译成字节码来执行）
• 提高java应用的性能，更好更快速的排除解决相关问题

Java SE体系架构

虚拟机的发展史

1） Hotspot VM 之前输入SUN公司后面被甲骨文公司收购，Hotspot什么意思：热点代码探测技术，及时编译器（发现最有价值的代码，如果代码用得非常多，就会把这些代码编译成本地代码）。
2） JRockit VM 号称”世界上最快的Java虚拟机” ,最后也被甲骨文公司收购
3） J9 VM 是属于IBM的 目前华为在使用
4） Dalvik VM google的产品

JVM 和 DVM 的区别

• 首要差别
  Dalvik: 基于寄存器，编译和运行都会更快些
  JVM: 基于栈, 编译和运行都会慢些
• 字节码的区别
  Dalvik: 执行.dex格式的字节码，是对.class文件进行压缩后产生的,文件变小
  JVM: 执行.class格式的字节码
• 运行环境的区别
  Dalvik : 一个应用启动都运行一个单独的虚拟机运行在一个单独的进程中
  JVM: 只能运行一个实例, 也就是所有应用都运行在同一个JVM中

未来的Java技术

• 模块化:使用得最多OSGI，应用层面就是微服务，互联网的发展方向
• 混合语言：多个语言都可以运行在JVM中
• 多核并行：CPU从高频次转变为多核心，多核时代。JDK1.7引入了Fork/Join，JDK1.8提出lambda表达式(函数式编程天生适合并行运行)
• 丰富语法：JDK5提出自动装箱、泛型(并发编程讲到)、动态注解等语法。JDK7二进制原生支持。try-catch-finally 至try-with-resource
• 64位：虽然同样的程序64位内存消耗比32位要多一点，但是支持内存大，所以虚拟机都会完全过渡到64位。
• 更强的垃圾回收：JDK11 –ZGC（TB级别内存回收））：有色指针、加载屏障

运行时数据区域

• 定义：Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域
• 类型：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、Java堆、方法区（运行时常量池）、直接内存
  

程序的计数器 ：指向当前线程正在执行的字节码指令的地址(行号)

• 为什么需要程序计数器
  1）Java是多线程的，意味着线程需要切换
  2）确保多线程情况下的程序正常执行（线程切换后能在正确的位置继续执行）

栈

• 栈： 栈是一种数据结构，入口和出口只有一个，遵循FILO原则（first in last out ：先进后出）
• 为什么JVM要使用栈： 非常符合JAVA中方法间的调用（方法A调用方法B: A方法先开始最后结束，B方法最后开始最先结束）
• **方法递归的问题：**因为一个方法执行的时候放入虚拟机栈中，遵循先进后出的原则，如果方法又递归没有中断递归的判断的条件，最终的结果就是栈溢出错误，因为一直向虚拟机栈中添加方法没有出栈的操作，栈的大小是受限制的，迟早会装不下就溢出了。

虚拟机栈

每个线程私有的，线程在运行时，在执行每个方法的时候都会打包成一个栈帧，存储了局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息，然后放入栈。每个时刻正在执行的当前方法就是虚拟机栈顶的栈桢。方法的执行就对应着栈帧在虚拟机栈中入栈和出栈的过程。
栈的大小缺省为1M，可用参数 –Xss调整大小，例如-Xss256k

• **局部变量表：**顾名思义就是局部变量的表，用于存放我们的局部变量的。首先它是一个32位的长度，主要存放我们的Java的八大基础数据类型，一般32位就可以存放下，如果是64位的就使用高低位占用两个也可以存放下，如果是局部的一些对象，比如我们的Object对象，我们只需要存放它的一个引用地址即可。
• **操作数栈：**存放我们方法执行的操作数的，它就是一个栈，先进后出的栈结构，操作数栈，就是用来操作的，操作的的元素可以是任意的java数据类型，所以我们知道一个方法刚刚开始的时候，这个方法的操作数栈就是空的，操作数栈运行方法是会一直运行入栈/出栈的操作
• **动态连接：**Java语言特性多态（需要类加载、运行时才能确定具体的方法），动态特性（Groovy、JS、动态代理）
• **返回地址：**正常返回（调用程序计数器中的地址作为返回）、异常的话（通过异常处理器表<非栈帧中的>来确定）

本地方法栈

本地方法栈保存的是native方法的信息

• 当一个JVM创建的线程调用native方法后，JVM不再为其在虚拟机栈中创建栈帧，JVM只是简单地动态链接并直接调用native方法
• 虚拟机规范无强制规定，各版本虚拟机本地方法栈自由实现，HotSpot直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一

线程共享的区域

• **方法区：**用于存储已经被虚拟机加载的类信息（类信息，常量(final)，静态变量(static)，即时编译期编译后的代码）可用以下参数调整方法区大小：
  jdk1.7及以前：-XX:PermSize；-XX:MaxPermSize；
  jdk1.8以后：-XX:MetaspaceSize； -XX:MaxMetaspaceSize
  jdk1.8以后大小就只受本机总内存的限制
  如：-XX:MaxMetaspaceSize=3M
• Java堆： 保存对象实例（几乎所有） ，数组。
  java堆的大小参数设置：
  -Xmx 堆区内存可被分配的最大上限
  -Xms 堆区内存初始内存分配的大小

直接内存

• **直接内存：**不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是java虚拟机规范中定义的内存区域；
  1）如果使用了NIO（同步非阻塞IO，面向缓冲的）,这块区域会被频繁使用，在java堆内可以用directByteBuffer对象直接引用并操作；
  2）这块内存不受java堆大小限制，但受本机总内存的限制，可以通过MaxDirectMemorySize来设置（默认与堆内存最大值一样），所以也会出现OOM异常；

站在线程的角度来看JVM的运行数据区

深入辨析堆和栈

• 功能：
  1）以栈帧的方式存储方法调用的过程，并存储方法调用过程中基本数据类型的变量（int、short、long、byte、float、double、boolean、char等）以及对象的引用变量，其内存分配在栈上，变量出了作用域就会自动释放；
  2）而堆内存用来存储Java中的对象。无论是成员变量，局部变量，还是类变量，它们指向的对象都存储在堆内存中；
• 线程独享还是共享：
  1）栈内存归属于单个线程，每个线程都会有一个栈内存，其存储的变量只能在其所属线程中可见，即栈内存可以理解成线程的私有内存。
  2）堆内存中的对象对所有线程可见。堆内存中的对象可以被所有线程访问。
• 空间大小：
  1）栈的内存要远远小于堆内存，栈的深度是有限制的，可能发生StackOverFlowError问题。

虚拟机中的对象

• CAS(Compare and swap)比较和交换
  CAS操作需要输入两个数值，一个旧值A(期望操作前的值)和一个新值B，在操作期间会先比较旧值有没有变化，如果没有变化，才交换成新值，否则不进行交换
  

对象的内存布局

对象的访问定位

虚拟机优化技术——逃逸分析

• 逃逸分析
  逃逸分析是目前JVM中比较前沿的优化技术，它不是直接的优化手段而是为其他优化手段提供依据的分析技术，逃逸分析的基本行为就是分析对象动态作用域。

• 几乎所有对象都在堆上分配，有特列情况对象是分配在栈上的。（一个对象如果没有逃逸出方法就可能分配在栈上）
  
  在运行参数设置的VM options中设置：-XX:-DoEscapeAnalysis -XX:-EliminateAllocations -XX:-UseTLAB
  关闭逃逸分析得到结果：
  

• 牵涉到的JVM参数： + 是打开 - 是关闭
  -XX:+DoEscapeAnalysis：启用逃逸分析(默认打开)
  -XX:+EliminateAllocations：标量替换(默认打开)
  -XX:+UseTLAB 本地线程分配缓冲(默认打开)

方法在栈中执行的分析图