JVM知识（一）：基础原理

学过java知识和技术人，都应该听说过jvm，jvm一直是java知识里面晋级阶段的重要部分，如果想要在java技术领域更深入一步，jvm是必须需要明白的知识点。

本篇来讲解jvm的基础原理，先来熟悉一下大致的流程：

JVM运行流程：

　　我们都知道java一直宣传的口号:一次编译，到处运行。也是它的跨平台性。这点的具体实现如下：

　　java程序在经过一次编译之后，会将java代码编译成java字节码，也就是class文件。然后在不同的机器中依靠不同的java虚拟机来解析。
最后再转换为不同平台的机器码，最终得到执行。
　　这样，我们就可以大胆的推测说，如果我们要在mac系统中执行，是不是就只需要安装一个mac的java虚拟机就可以执行java程序了。

了解了这个基本原理后，那一个普通的java程序它的执行流程到底是怎样的？例如以下的代码。

package helloWorld;
public class HelloWorld {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.print("hello world");
	}
}

　　这段程序从编译到运行，最终打印出“Hello world”中间经过了哪些步骤，如下图;

java代码通过编译之后生成字节码文件（class文件），通过 java hello world执行，此时java会根据系统的版本找到jvm.cfg，它会根据系统版本放在不同的位置，我的在E:\SVN_ROOT\UMP_PROJECT\UMP1.0.0.0\14tools\jdk1.6.0_02\jre\lib\i386
打开可以看到：

其中-server KNOWN就表示名称为server的jvm可用，此时在电脑中搜索下jvm.dll文件，会发现是在某个server目录下。
E:\SVN_ROOT\UMP_PROJECT\UMP1.0.0.0\14tools\jdk1.6.0_02\jre\bin\server
简而言之就是通过jvm.cfg文件来找到对应的jvm.dll。这个jvm.dll文件就是java虚拟机的主要实现。
接下来会初始化jvm，并且获取JNI接口。
什么是JNI接口，就是java的本地接口（java不太好实现的与硬件或者操作系统相关的方法，一般是其他语言编写的。）。
也就是说java被编译成了class文件，jvm要通过这个JNI接口从硬盘上找到这个文件并装载到jvm里面。然后找到main方法执行。

JVM 基础结构：

　　在上面的例子上，我们已经知道了java程序大致的流程，但是jvm是怎么去执行class文件的，看看以下图：

从这个结构不难看出，class文件被jvm装载以后，经过jvm的内存空间调配，最后由执行引擎完成class文件的执行。这个过程还需要其他角色模块的配合才能完成。。

jvm的内存空间
　　jvm的内存空间包括：方法区，java堆，java栈，本地方法栈。

方法区是各个线程共享的区域，存放类信息，常亮，静态变量。

java堆也是线程共享的区域，存放类的实例，如果一个系统创建了很多类实例，如果java堆空间不足，程序就会抛出OutOfMemoryError异常。因此java堆空间是最大的。

堆被所有的线程共享，在虚拟机启动时，我们指定的"Xmx"之类的参数就是用来指定最大堆空间的指标。

理所当然，堆也是垃圾收集器重点照顾的区域，所以堆内空间还会被不同的垃圾收集器进行进一步的细分，最有名的就是新生代、老生代的划分。

java栈是每个线程私有的区域，它的生命周期与线程相同，一个线程对应一个java栈，每执行一个方法就会往栈中压入一个元素，这个元素叫“栈帧”。

而这个栈帧中包括了方法中的局部变量，用于存放中间状态值的操作栈。如果java栈空间不足了，程序会抛出StackOverflowError异常。

本地方法栈和java栈类似，只是它用来表示执行本地方法的，本地方法栈存放的方法是调用本地方法接口，最终调用本地方法库，实现与操作系统，硬件交互的目的。

PC寄存器，其实就是控制这些类对象，方法，静态变量，他们的执行顺序。它可以看做是当前线程说执行的字节码的行号指示器。由于jvm是多线程是通过轮流浅黄并分配处理器执行时间的来方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对应多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器（PC寄存器），各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有的内存”。

执行引擎就是根据PC寄存器调配的指令顺序，一次执行程序指令。

对于程序中出现OutOfMemoyError，简单的总结如下：

　　1、堆内存不足是最常见的OOM原因之一，抛出的错误信息是“java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space”，原因可能千奇百怪。

　　　比如：可能存在内存泄露问题；也很有可能就是堆得大小不合理，比如我们要处理可观的数据量，但是没有显式指定JVM堆大小或者指定数据偏小；或者出现JVM处理引用不及时，导致堆积起来，内存无法释放等。

　　2、Java虚拟机栈和本地方法栈，如果我们写一段程序不断的进行地柜调用，而且没有退出条件，就会导致不断的进行压栈。类似这种情况，JVM实际会抛出StackOverFlowError；当然，如果JVM试图去扩展栈空间的时候失败，就会抛出OutOfMemoyError。

　　3、对于老版本的Oracle JDK，因为永久代的大小是有限的，并且JVM对永久代垃圾回收非常的不积极，所以当我们不断添加新类型的时候，永久代出现OutOfMemoyError也非常的多见，尤其是在运行时，存在大量动态类型生成的场合；类似Intern字符串缓存占用太多空间，也会导致OOM问题。对应的异常信息，会标记出来和永久代相关：“java.lang.OutOfMemoyError：PermGen space”。

　　4、随着元数据区的引入，方法区内存以及不再那么窘迫，所以相应的OOM有所改观，出现OOM，异常信息则变成了:"java.lang.OutOfMemoyError： Metaspace"。

结语：

本文主要介绍了java虚拟机运行的基本流程，以及java虚拟机内部结构。下一篇我们将学习java内存模型以及探索java变量的可见性、有序性、指令重排等问题以及总结了可能会发现OutOfMemoyError异常的原因和所在。