java虚拟机的原理

所谓虚拟机，就是一台虚拟的机器。它是一款软件，用来执行一系列虚拟计算机指令，大体上虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机，Visual Box 、Vmare就属于系统虚拟机。他们完全是对物理计算机的仿真，提供了一个可运行完成操作系统的软件平台。程序虚拟机典型代表就是java虚拟机，它专门为执行单个计算机程序而设计，在java 虚拟机中执行的指令，我们称为java字节码指令。无论是系统虚拟机还是程序虚拟机，在上面运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。java发展至今，出现过很多虚拟机，最初Sun使用的一款叫Classic的Java虚拟机，到现在引用最广泛的是HotSpot虚拟机，除了Sun以外，还有BEA的JRockit，目前JRockit和HotSpot都被Oracle收入旗下，有整合的趋势。

Java虚拟机的基本结构

1 类加载子系统 ： 负责从文件系统或者网络中加载Clsaa信息，加载的信息存放在一块称之为方法区的内存空间。

2方法区：就是存放类信息、常量信息、常量池信息、包括字符串字面量和数字常量等。

3java堆：在java虚拟机启动的时候建立java堆，他是java程序最主要的内存工作区域，几乎所有的对象实例都存放到java堆中，堆空间是所有线程共享的。

4直接内存：Java的NIO库允许java程序使用直接内存，从而提高性能，通常直接内存速度会优于java堆。读写频繁的场合可能会考虑使用。

5java栈：每个虚拟机线程都有一个私有的栈，一个线程的java栈在线程创建的时候被创建，java栈中保存着局部变量，方法参数、同时java的方法调用、返回值等。

6本地方法栈：本地方法栈和java栈非常类似，最大不同为本地方法栈用于本地方法调用。java虚拟机允许java直接调用本地方法(通常使用C编写)。

7垃圾收集系统是java的核心，也是必不可少的，java有一套自己进行垃圾清理的机制，具体的待会说明。

8PC 寄存器也是每个线程私有的空间，java虚拟机会为每个线程创建PC寄存器，在任意时刻，一个java线程总是在执行一个方法，这个方法被称为当前方法，如果当前方法不是本地方法，PC寄存器就会执行当前正在被执行的命令，如果是本地方法，则PC寄存器值为undefined，寄存器存放如当前执行环境指针，程序计数器，操作栈指针，计算的变量指针等信息。

9虚拟机最核心的组建就是执行引擎了，它负责执行虚拟机的字节码。一般用户先进行编译称机器码后执行。

堆、栈、方法区概念和联系

堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放，放在哪儿。

栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。

方法区则是辅助堆栈的快永久区(Perm)，解决堆栈细心的产生，是先决条件。

我们创建一个新的对象，User：那么User类的一些信息(类信息，静态信息都存在于方法区中)

而User类被实例化出来之后，被存储到java堆中，一块内存空间

当我们去使用的时候，都是使用User对象的引用，形如User user = new User()；

辨清java堆

java堆是和java应用程序关系最密切的内存空间，几乎所有的对象都存放其中，并且java堆完全是自动化管理的，通过垃圾回收机制，垃圾对象会自动清理，不需要显示地释放。

根据垃圾回收机制不同，Java堆有可能有不同的结构。最常见的就是将整个java堆分为新生代和老年代。其中新生代存放新生的对象或者年龄不大的对象，老年代则存放老年对象。

新生代分为eden区、s0区、s1区，s0和s1也被称为from和to区域，他们是两块大小相等并且可以互换角色的空间。

绝大多数情况下，对象首先分配在eden区，在一次新生代回收后，如果对象还存活，则会进入s0和s1区，之后每经过一次新生代回收，如果对象存活则它的年龄就加1，当对象达到一定年龄后，则进入老年代。

垃圾收集算法

引用计数法：这是个比较古老而经典的垃圾收集算法，其核心就是在对象被其他所引用时计数器加1，而当引用失效时则减1，但是这种方式有非常严重的问题：无法处理循环引用的情况、还有就是每次进行加减操作比较浪费系统性能。

标记清除法；就是分为标记和清楚两个阶段进行处理内存中的对象，当然这种方式也有非常大的弊端，就是空间碎片问题，垃圾回收后的空间不是连续的，不连续的内存空间的工作效率要低于连续的内存空间。

复制算法：其核心思想就是将内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时，将正在使用的内存中的存留对象复制到未被使用的内存块中去，之后去清楚之前正在使用的内存块中所有的对象，反复去交换两个内存的角色，完成垃圾收集。(java中新生代的from和to空间就是使用这个算法)

标记压缩法：标记压缩法在标记清除法基础之上做了优化，把存活的对象压缩到内存一端，而后进行垃圾清理。(java中老年代使用的就是标记压缩法)/

java栈

java栈是一块线程私有的内存空间，一个栈，一般由三部分组成：局部变量表，操作数栈和帧数据区。

局部变量表：用于报错函数的参数及局部变量：

操作数栈：主要保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间；

帧数据区：除了局部变量表和操作数栈以外，栈还需要一些数据来支持常量池的解析，这里帧数据保存着访问常量池的指针，方便程序访问常量池，另外，当函数返回或者出现异常时，虚拟机必须由一个异常处理表，方便发送异常的时候找到异常的代码，因此异常处理表也是帧数据区的一部分。

java方法区

java方法区和堆一样，方法区是一块所有线程共享的内存区域，它保存系统的类信息，比如类的字段，方法，常量池等。方法区的大小决定了系统可以保存多少个类，如果系统定义太多的类，导致方法区溢出。虚拟机同样会抛出内存移除错误。方法区可以理解为永久区(Perm)。

虚拟机参数

在虚拟机运行的过程中，如果可以跟踪系统的运行状态，那么对于问题的故障排查会有一定的帮助，为此，虚拟机提供了一些跟踪系统状态的参数，使用给定的参数执行java虚拟机，就可以在系统运行时打印相关日志，用于分析实际问题。我们进行虚拟机参数配置，其实主要就是围绕着堆，栈，方法区进行配置。

堆分配参数

-XX:+PrintGC 使用这个参数，虚拟机启动后，只要遇到GC就会打印日志。

-XX:+UseSerialGC 配置串行回收器

-XX:+PrintGCDetails 可以查看详细信息，包括各个区的情况。

-Xms: 设置java程序启动时初始堆大小

-Xmx: 设置java程序能获得的最大堆大小

-Xmx20m -Xms5m -XX:+PrintCommandLineFlags: 可以将隐式或者显示传给虚拟机的参数输出

在实际工作中，可以直接将初始的堆大小和最大堆大小设置相等，这样的好处是可以减少程序运行时的垃圾回收次数，从而提高性能。

下面看一个demo：

使用jdk自带的工具类，打印运行时的内存相关的内容，

先看一下没有配置jvm的打印结果:

内存什么的都很大，看不出具体的内存使用情况，下面在看一下使用jvm配置参数后的打印结果，

先看一下怎么设置jvm参数，

设置玩运行时的JVM，在来看一下打印的结果：

可以看到java堆的初始内存时5M，最大内存时20M，第一次分配1M时，使用一开始的初始内存，后来，需要再次分配4M的时候，java虚拟器又重新申请了内存。可以从total_memory看出来。

Heap里面可以看的到新生代，老年代，永久区的空间大小和临界值。

实际项目中，会把jvm的运行环境放在项目运行的容器中。

新生代的堆参数配置

-Xmn：可以设置新生代的大小，设置一个比较大的新生代会减少老年代的大小，这个参数对系统性能以及GC行为由很大的影响，新生代大小一般会设置整个堆空间的1/3到1/4左右。

-XX:SurvivorRatio：用来设置新生代中eden空间和from/to空间的比例。含义：-XX:SurvivorRatio=eden/from=eden/to

不同的堆分布情况，对系统执行会产生一定的影响，在实际工作中，应该根据系统的特点做出合理的配置，基本策略：尽可能将对象预留在新生代，减少老年代的GC次数。

除了可以设置新生代的绝对大小(-Xmn)，还可以使用(-XX:NewRatio)设置新生代和老年代的比例:-XX:NewRatio=老年代/新生代

这个同样看一个demo：

将3次配置，分别进行jvm配置，然后看一下控制台的信息，能看到前两次eden 和 s0或s1都是2：1的内存空间，

第三次，老年代：新生代也是2:1的内存空间。通过这个配置，可以将JVM的的配置进行细化。

堆溢出处理

在java程序的运行过程中，如果堆空间不足，则会抛出内存溢出的错误(Out Of Menory) OOM,一旦这类问题发生在生产环境，可能引起严重的业务中断，java虚拟机提供了-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError,使用该参数可以在内存溢出时导出整个堆消息，与之配合使用的还有参数，-XX:HeapDumpPath，可以设置导出堆的存放路径。

内存分析工具：Memory Analyzer 1.5.0

栈配置

Java虚拟机提供了参数-Xss来指定线程的最大栈空间，整个参数也直接决定了函数可调用的最大深度。

方法区

和Java堆一样，方法区是一块所有线程共享的内存区域，它用于保存系统的类信息，方案区(永久区)可以保存多少信息可以对其进行配置，在默认情况下，-XX:MaxPermSize为64MB，如果系统运行时生产大量的类，就需要设置一个相对合适的方法区，以免出现永久区内存溢出的问题。

-XX:PermSize=64M -XX:MaxPermSize=64M

直接内存配置

直接内存也是java程序中非常重要的组成部分，特别是广泛用在NIO中，直接内存跳过了java堆，是java程序可以直接访问原生堆空间，因此在一定程度上加快了内存空间的访问速度。但是说直接内存一定就可以提高内存访问速度也不见得，具体情况具体分析。

相关配置参数：-XX:MaxDirectMemorySize,如果不设置默认值为最大堆空间，即-Xmx。直接内存使用达到上限时，就会触发垃圾回收，如果不能有效的释放空间，也会引起系统的OOM；

在JKD1.7之后，不用考虑这个。

更多详情可以参照博客

http://www.cnblogs.com/redcreen/archive/2011/05/04/2037057.html