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?來自：CSDN（作者：土豆是我的最愛）

原文鏈接：

https://blog.csdn.net/qq_37141773/article/details/103138476#comments

一、虛擬機

同樣的java代碼在不同平臺生成的機器碼肯定是不一樣的，因為不同的操作系統(tǒng)底層的硬件指令集是不同的。

同一個java代碼在windows上生成的機器碼可能是0101.......，在linux上生成的可能是1100......，那么這是怎么實現(xiàn)的呢？

不知道同學們還記不記得，在下載jdk的時候，我們在oracle官網(wǎng)，基于不同的操作系統(tǒng)或者位數(shù)版本要下載不同的jdk版本，也就是說針對不同的操作系統(tǒng)，jdk虛擬機有不同的實現(xiàn)。

那么虛擬機又是什么東西呢，如圖是從軟件層面屏蔽不同操作系統(tǒng)在底層硬件與指令上的區(qū)別，也就是跨平臺的由來。

說到這里同學們可能還是有點不太明白，說的還是太宏觀了，那我們來了解下java虛擬機的組成。

二、虛擬機組成

1.棧

我們先講一下其中的一塊內(nèi)存區(qū)域棧，大家都知道棧是存儲局部變量的，也是線程獨有的區(qū)域，也就是每一個線程都會有自己獨立的棧區(qū)域。

public?class?Math?{
????public?static?int?initData = 666;
????public?static?User user = new?User();
?
????public?int?compute() {
????????int?a = 1;
????????int?b = 2;
????????int?c = (a+b) * 10;
????????return?c;
????}
?
????public?static?void?main(String[] args) {
????????Math math = new?Math();
????????math.compute();
????????System.out.println("test");
????}
}

說起棧大家都不會陌生，數(shù)據(jù)結構中就有學，這里線程棧中存儲數(shù)據(jù)的部分使用的就是棧，先進后出。

大家都知道每個方法都有自己的局部變量，比如上圖中main方法中的math，compute方法中的a b c，那么java虛擬機為了區(qū)分不同方法中局部變量作用域范圍的內(nèi)存區(qū)域，每個方法在運行的時候都會分配一塊獨立的棧幀內(nèi)存區(qū)域，我們試著按上圖中的程序來簡單畫一下代碼執(zhí)行的內(nèi)存活動。

執(zhí)行main方法中的第一行代碼是，棧中會分配main()方法的棧幀，并存儲math局部變量,，接著執(zhí)行compute()方法，那么棧又會分配compute()的棧幀區(qū)域。

這里的棧存儲數(shù)據(jù)的方式和數(shù)據(jù)結構中學習的棧是一樣的，先進后出。當compute()方法執(zhí)行完之后，就會出棧被釋放，也就符合先進后出的特點，后調(diào)用的方法先出棧。

棧幀

那么棧幀內(nèi)部其實不只是存放局部變量的，它還有一些別的東西，主要由四個部分組成。

那么要講這個就會涉及到更底層的原理--字節(jié)碼。我們先看下我們上面代碼的字節(jié)碼文件。

看著就是一個16字節(jié)的文件，看著像亂碼，其實每個都是有對應的含義的，oracle官方是有專門的jvm字節(jié)碼指令手冊來查詢每組指令對應的含義的。那我們研究的，當然不是這個。

jdk有自帶一個javap的命令，可以將上述class文件生成一種更可讀的字節(jié)碼文件。

我們使用javap -c命令將class文件反編譯并輸出到TXT文件中。

Compiled from "Math.java"
public?class?com.example.demo.test1.Math?{
??public?static?int?initData;
?
??public?static?com.example.demo.bean.User user;
?
??public?com.example.demo.test1.Math();
????Code:
???????0: aload_0
???????1: invokespecial #1??????????????????// Method java/lang/Object."":()V
???????4: return
?
??public?int?compute();
????Code:
???????0: iconst_1
???????1: istore_1
???????2: iconst_2
???????3: istore_2
???????4: iload_1
???????5: iload_2
???????6: iadd
???????7: bipush 10
???????9: imul
??????10: istore_3
??????11: iload_3
??????12: ireturn
?
??public?static?void?main(java.lang.String[]);
????Code:
???????0: new???????????#2??????????????????// class com/example/demo/test1/Math
???????3: dup
???????4: invokespecial #3??????????????????// Method "":()V
???????7: astore_1
???????8: aload_1
???????9: invokevirtual #4??????????????????// Method compute:()I
??????12: pop
??????13: getstatic #5??????????????????// Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
??????16: ldc #6??????????????????// String test
??????18: invokevirtual #7??????????????????// Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
??????21: return
?
??static?{};
????Code:
???????0: sipush 666
???????3: putstatic #8??????????????????// Field initData:I
???????6: new???????????#9??????????????????// class com/example/demo/bean/User
???????9: dup
??????10: invokespecial #10?????????????????// Method com/example/demo/bean/User."":()V
??????13: putstatic #11?????????????????// Field user:Lcom/example/demo/bean/User;
??????16: return
}

此時的jvm指令碼就清晰很多了，大體結構是可以看懂的，類、靜態(tài)變量、構造方法、compute()方法、main()方法。

其中方法中的指令還是有點懵，我們舉compute()方法來看一下：

Code:
???????0: iconst_1
???????1: istore_1
???????2: iconst_2
???????3: istore_2
???????4: iload_1
???????5: iload_2
???????6: iadd
???????7: bipush 10
???????9: imul
??????10: istore_3
??????11: iload_3
??????12: ireturn

這幾行代碼就是對應的我們代碼中compute()方法中的四行代碼。大家都知道越底層的代碼，代碼實現(xiàn)的行數(shù)越多，因為他會包含一些java代碼在運行時底層隱藏的一些細節(jié)原理。

那么一樣的，這個jvm指令官方也是有手冊可以查閱的，網(wǎng)上也有很多翻譯版本，大家如果想了解可自行百度。

這里我只講解本博文設計代碼中的部分指令含義：

0. 將int類型常量1壓入操作數(shù)棧

0: iconst_1

這一步很簡單，就是將1壓入操作數(shù)棧?

1.? 將int類型值存入局部變量1?

1: istore_1

局部變量1，在我們代碼中也就是第一個局部變量a，先給a在局部變量表中分配內(nèi)存，然后將int類型的值，也就是目前唯一的一個1存入局部變量a

2. 將int類型常量2壓入操作數(shù)棧

2: iconst_2

3.? 將int類型值存入局部變量2?

3: istore_2

這兩行代碼就和前兩行類似了。

4. 從局部變量1中裝載int類型值

4: iload_1

5. 從局部變量2中裝載int類型值?

5: iload_2

這兩個代碼是將局部變量1和2，也就是a和b的值裝載到操作數(shù)棧中

6. 執(zhí)行int類型的加法

6: iadd

iadd指令一執(zhí)行，會將操作數(shù)棧中的1和2依次從棧底彈出并相加，然后把運算結果3在壓入操作數(shù)棧底。

7. 將一個8位帶符號整數(shù)壓入棧

7: bipush 10

?這個指令就是將10壓入棧

8. 執(zhí)行int類型的乘法

9: imul

這里就類似上面的加法了，將3和10彈出棧，把結果30壓入棧

9. 將將int類型值存入局部變量3?

10: istore_3

這里大家就不陌生了吧，和第二步第三步是一樣的，將30存入局部變量3，也就是c

10. 從局部變量3中裝載int類型值

11: iload_3

這個前面也說了

11. 返回int類型值

12: ireturn

這個就不用多說了，就是將操作數(shù)棧中的30返回

到這里就把我們compute()方法講解完了，講完有沒有對局部變量表和操作數(shù)棧的理解有所加深呢？說白了賦值號=后面的就是操作數(shù)，在這些操作數(shù)進行賦值，運算的時候需要內(nèi)存存放，那就是存放在操作數(shù)棧中，作為臨時存放操作數(shù)的一小塊內(nèi)存區(qū)域。

接下來我們再說說方法出口。

方法出口說白了不就是方法執(zhí)行完了之后要出到哪里，那么我們知道上面compute()方法執(zhí)行完之后應該回到main()方法第三行那么當main()方法調(diào)用compute()的時候，compute()棧幀中的方法出口就存儲了當前要回到的位置，那么當compute()方法執(zhí)行完之后，會根據(jù)方法出口中存儲的相關信息回到main()方法的相應位置。

那么main()方同樣有自己的棧幀，在這里有些不同的地方我們講一下。

我們上面已經(jīng)知道局部變量會存放在棧幀中的局部變量表中，那么main()方法中的math會存入其中，但是這里的math是一個對象，我們知道new出來的對象是存放在堆中的

那么這個math變量和堆中的對象有什么聯(lián)系呢？是同一個概念么？

當然不是的，局部變量表中的math存儲的是堆中那個math對象在堆中的內(nèi)存地址

2.程序計數(shù)器

程序計數(shù)器也是線程私有的區(qū)域，每個線程都會分配程序計數(shù)器的內(nèi)存，是用來存放當前線程正在運行或者即將要運行的jvm指令碼對應的地址，或者說行號位置。

上述代碼中每個指令碼前面都有一個行號，你就可以把它看作當前線程執(zhí)行到某一行代碼位置的一個標識，這個值就是程序計數(shù)器的值。

那么jvm虛擬機為什么要設置程序計數(shù)器這個結構呢？就是為了多線程的出現(xiàn)，多線程之間的切換，當一個程序被掛起的時候，總是要恢復的，那么恢復到哪個位置呢，總不能又重新開始執(zhí)行吧，那么程序計數(shù)器就解決了這個問題。

3.方法區(qū)

在jdk1.8之前，有一個名稱叫做持久帶/永久代，很多同學應該聽過，在jdk1.8之后，oracle官方改名為元空間。存放常量、靜態(tài)變量、類元信息。

public?static?int?initData = 666;

這個initData就是靜態(tài)變量，毋庸置疑是存放在方法區(qū)的

public?static?User user = new?User();

那么這個user就有點不一樣了，user變量放在方法區(qū)，new的User是存放在堆中的

到這里我們就能意識到棧，堆，方法區(qū)之間都是有聯(lián)系的。

棧中的局部變量，方法區(qū)中的靜態(tài)變量，如果是對象類型的話都會指向堆中new出來中的對象，那么紅色的聯(lián)系代表什么呢？我們先來了解一下對象。

對象組成

你對對象的了解有多少呢，天天用對象，你是否知道對象在虛擬機中的存儲結構呢？

對象在內(nèi)存中存儲的布局可以分為3塊區(qū)域：對象頭（Header）、實例數(shù)據(jù)（Instance Data）和對齊填充（Padding）。下圖是普通對象實例與數(shù)組對象實例的數(shù)據(jù)結構：

對象頭

HotSpot虛擬機的對象頭包括兩部分信息：

Mark Word

? ? ? ? 第一部分markword,用于存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標志、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時間戳等，這部分數(shù)據(jù)的長度在32位和64位的虛擬機（未開啟壓縮指針）中分別為32bit和64bit，官方稱它為“MarkWord”。

Klass Pointer

? ? ? ? 對象頭的另外一部分是klass類型指針，即對象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例.

數(shù)組長度（只有數(shù)組對象有）

? ? ? ? 如果對象是一個數(shù)組, 那在對象頭中還必須有一塊數(shù)據(jù)用于記錄數(shù)組長度.

實例數(shù)據(jù)

? ? ? ? 實例數(shù)據(jù)部分是對象真正存儲的有效信息，也是在程序代碼中所定義的各種類型的字段內(nèi)容。無論是從父類繼承下來的，還是在子類中定義的，都需要記錄起來。

對齊填充

? ? ? ? 第三部分對齊填充并不是必然存在的，也沒有特別的含義，它僅僅起著占位符的作用。由于HotSpot VM的自動內(nèi)存管理系統(tǒng)要求對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，換句話說，就是對象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。而對象頭部分正好是8字節(jié)的倍數(shù)（1倍或者2倍），因此，當對象實例數(shù)據(jù)部分沒有對齊時，就需要通過對齊填充來補全。

其中的klass類型指針就是那條紅色的聯(lián)系，那是怎么聯(lián)系的呢？

new?Thread().start();

類加載其實最終是以類元信息的形式存儲在方法區(qū)中的，math和math2都是由同一個類new出來的，當對象被new時，都會在對象頭中存儲一個指向類元信息的指針，這就是Klass? Pointer.

到這里我們就講解了棧，程序計數(shù)器和方法區(qū)，下面我們簡單介紹一下本地方法區(qū)，最后再終點講解堆。

4.本地方法棧

實際上現(xiàn)在本地方法棧已經(jīng)用的比較少了，大家應該都有聽過本地方法吧

如何經(jīng)常用的線程類

new?Thread().start();

public?synchronized void?start() {
????????if?(threadStatus != 0)
????????????throw?new?IllegalThreadStateException();
????????group.add(this);
????????boolean started = false;
????????try?{
????????????start0();
????????????started = true;
????????} finally?{
????????????try?{
????????????????if?(!started) {
????????????????????group.threadStartFailed(this);
????????????????}
????????????} catch?(Throwable ignore) {
????????????}
????????}
????}

其中底層調(diào)用了一個start0()的方法

private?native?void?start0();

這個方法沒有實現(xiàn)，但又不是接口，是使用native修飾的，是屬于本地方法，底層通過C語言實現(xiàn)的，那java代碼里為什么會有C語言實現(xiàn)的本地方法呢？

大家都知道JAVA是問世的，在那之前一個公司的系統(tǒng)百分之九十九都是使用C語言實現(xiàn)的，但是java出現(xiàn)后，很多項目都要轉(zhuǎn)為java開發(fā)，那么新系統(tǒng)和舊系統(tǒng)就免不了要有交互，那么就需要本地方法來實現(xiàn)了，底層是調(diào)用C語言中的dll庫文件，就類似于java中的jar包，當然，如今跨語言的交互方式就很多了，比如thrift，http接口方式，webservice等，當時并沒有這些方式，就只能通過本地方法來實現(xiàn)了。

那么本地方法始終也是方法，每個線程在運行的時候，如果有運行到本地方法，那么必然也要產(chǎn)生局部變量等，那么就需要存儲在本地方法棧了。如果沒有本地方法，也就沒有本地方法棧了。

5.堆

最后我們講堆，堆是最重要的一塊內(nèi)存區(qū)域，我相信大部分人對堆都不陌生。但是對于它的內(nèi)部結構，運作細節(jié)想要搞清楚也沒那么簡單。

對于這個基本組成大家應該都有所了解，對就是由年輕代和老年代組成，年輕代又分為伊甸園區(qū)和survivor區(qū)，survivor區(qū)中又有from區(qū)和to區(qū).

我們new出來的對象大家都知道是放在堆中，那具體放在堆中的哪個位置呢？

其實new出來的對象一般都放在Eden區(qū)，那么為什么叫伊甸園區(qū)呢，伊甸園就是亞當夏娃住的地方，不就是造人的地方么？所以我們new出來的對象就是放在這里的，那當Eden區(qū)滿了之后呢？

假設我們給對分配600M內(nèi)存，這個是可以通過參數(shù)調(diào)節(jié)的，我們后文再講。那么老年代默認是占2/3的，也就是差不多400M，那年輕代就是200M，Eden區(qū)160M，Survivor區(qū)40M。

一個程序只要在運行，那么就不會不停的new對象，那么總有一刻Eden區(qū)會放滿，那么一旦Eden區(qū)被放滿之后，虛擬機會干什么呢？沒錯，就是gc，不過這里的gc屬于minor gc，就是垃圾收集，來收集垃圾對象并清理的，那么什么是垃圾對象呢？

好比我們上面說的math對象，我們假設我們是一個web應用程序，main線程執(zhí)行完之后程序不會結束，但是main方法結束了，那么main()方法棧幀會被釋放，局部變量會被釋放，但是局部變量對應的堆中的對象還是依然存在的，但是又沒有指針指向它，那么它就是一個垃圾對象，那就應該被回收掉了，之后如果還會new Math對象，也不會用這個之前的了，因為已經(jīng)無法找到它了，如果留著這個對象只會占用內(nèi)存，顯然是不合適的。

這里就涉及到了一個GC Root根以及可達性分析算法的概念，也是面試偶爾會被問到的。

可達性分析算法是將GC Roots對象作為起點，從這些起點開始向下搜索引用的對象，找到的對象都標記為非垃圾對象，其余未標記的都是垃圾對象。

那么GC Roots根對象又是什么呢，GC Roots根就是判斷一個對象是否可以回收的依據(jù)，只要能通過GC Roots根向下一直搜索能搜索到的對象，那么這個對象就不算垃圾對象，而可以作為GC Roots根的有線程棧的本地變量，靜態(tài)變量，本地方法棧的變量等等，說白了就是找到和根節(jié)點有聯(lián)系的對象就是有用的對象，其余都認為是垃圾對象來回收。

經(jīng)歷了第一次minor gc后，沒有被清理的對象就會被移到From區(qū)，如上圖。

上面在說對象組成的時候有寫到，在對象頭的Mark Word中有存儲GC分代年齡，一個對象每經(jīng)歷一次gc，那么它的gc分代年齡就會+1，如上圖。

那么如果第二次新的對象又把Eden區(qū)放滿了，那么又會執(zhí)行minor gc，但是這次會連著From區(qū)一起gc，然后將Eden區(qū)和From區(qū)存活的對象都移到To區(qū)域，對象頭中分代年齡都+1，如上圖。

那么當?shù)谌蜤den區(qū)又滿的時候，minor gc就是回收Eden區(qū)和To區(qū)域了，TEden區(qū)和To區(qū)域還活著的對象就會都移到From區(qū)，如上圖。說白了就是Survivor區(qū)中總有一塊區(qū)域是空著的，存活的對象存放是在From區(qū)和To區(qū)輪流存放，也就是互相復制拷貝，這也就是垃圾回收算法中的復制-回收算法。

如果一個對象經(jīng)歷了一個限值15次gc的時候，就會移至老年代。那如果還沒有到限值，F(xiàn)rom區(qū)或者To區(qū)域也放不下了，就會直接挪到老年代，這只是舉例了兩種常規(guī)規(guī)則，還有其他規(guī)則也是會把對象存放至老年代的。

那么隨著應用程序的不斷運行，老年代最終也是會滿的，那么此時也會gc，此時的gc就是Full gc了。

GC案例

下面我們通過一個簡單的演示案例來更加清楚的了解GC。

public?class?HeapTest?{
????byte[] a = new?byte[1024*100];
????public?static?void?main(String[] args) throws InterruptedException {
????????ArrayList heapTest = new?ArrayList<>();
????????while(true) {
????????????heapTest.add(new?HeapTest());
????????????Thread.sleep(10);
????????}
????}
}