JVM基础知识(更新中)

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JVM基础知识

- JVM从编译到执行
- - 1. java程序的执行过程
  - 2. JVM,JRE,JDK的关系!
  - 3. JVM的跨平台与语言无关性
  - 4. JVM的发展(非重点)
  - - 4.1 常见的JVM实现
  - JVM整体知识模块
  - 6. JVM的内存区域
  - - 6.1 运行时数据区域
    - 6.2 JAVA方法的运行与虚拟机栈
    - 6.3 虚拟机栈

JVM 全称 Java Virtual Machine，也就是我们耳熟能详的 Java 虚拟机。它能识别 .class 后缀的文件，并且能够解析它的指令，最终调用操作系统上的
函数，完成我们想要的操作

JVM从编译到执行 1. java程序的执行过程

一个 Java 程序，首先经过 javac 编译成 .class 文件，然后 JVM 将其加载到方法区，执行引擎将会执行这些字节码。执行时，会翻译成操作系统相
关的函数。JVM 作为 .class 文件的翻译存在，输入字节码，调用操作系统函数。
过程如下：Java 文件->编译器>字节码->JVM->机器码。

2. JVM,JRE,JDK的关系!

简单介绍一下
JVM 只是一个翻译，把 Class 翻译成机器识别的代码，但是需要注意，JVM 不会自己生成代码，需要大家编写代码，同时需要很多依赖类库，这个时
候就需要用到 JRE。
JRE 是什么，它除了包含 JVM 之外，提供了很多的类库（就是我们说的 jar 包，它可以提供一些即插即用的功能，比如读取或者操作文件，连接网络，
使用 I/O 等等之类的）这些东西就是 JRE 提供的基础类库。JVM 标准加上实现的一大堆基础类库，就组成了 Java 的运行时环境，也就是我们常说的 JRE
（Java Runtime Environment）。
但对于程序员来说，JRE 还不够。我写完要编译代码，还需要调试代码，还需要打包代码、有时候还需要反编译代码。所以我们会使用 JDK，因为 JDK
还提供了一些非常好用的小工具，比如 javac（编译代码）、java、jar （打包代码）、javap（反编译<反汇编>）等。这个就是 JDK。
具体可以文档可以通过官网去下载：https://www.oracle.com/java/technologies/javase-jdk8-doc-downloads.html
JVM 的作用是：从软件层面屏蔽不同操作系统在底层硬件和指令的不同。这个就是我们在宏观方面对 JVM 的一个认识

JVM 是一个虚拟化的操作系统，类似于 Linux 或者 Windows 的操作系统，只是它架在操作系统上，接收字节码也就是 class，把字节码翻译成操作系统上的
机器码且进行执行。

3. JVM的跨平台与语言无关性

跨平台：我们写的一个类，在不同的操作系统上（Linux、Windows、MacOS 等平台）执行，效果是一样，这个就是 JVM 的跨平台性。
为了实现跨平台型，不同操作系统有对应的 JDK 的版本。
https://www.oracle.com/java/technologies/javase/javase-jdk8-downloads.htm
跨语言（语言无关性）：JVM 只识别字节码，所以 JVM 其实跟语言是解耦的，也就是没有直接关联，JVM 运行不是翻译 Java 文件，而是识别 class 文
件，这个一般称之为字节码。还有像 Groovy 、Kotlin、Scala 等等语言，它们其实也是编译成字节码，所以它们也可以在 JVM 上面跑，这个就是 JVM 的跨
语言特征。Java 的跨语言性一定程度上奠定了非常强大的 java 语言生态圈。

4. JVM的发展(非重点) 4.1 常见的JVM实现

Hotspot：目前使用的最多的 Java 虚拟机。在命令行 java –version。它会输出你现在使用的虚拟机的名字、版本等信息、执行模式。
Jrocket：原来属于BEA 公司，曾号称世界上最快的JVM，后被 Oracle 公司收购，合并于 Hotspot
J9: IBM 有自己的 java 虚拟机实现，它的名字叫做 J9.主要是用在 IBM 产品（IBM WebSphere 和 IBM 的 AIX 平台上）
TaobaoVM: 只有一定体量、一定规模的厂商才会开发自己的虚拟机，比如淘宝有自己的 VM,它实际上是 Hotspot 的定制版，专门为淘宝准备的，阿里、天猫都是用的这款虚拟机。
LiquidVM: 它是一个针对硬件的虚拟机，它下面是没有操作系统的（不是 Linux 也不是 windows）,下面直接就是硬件，运行效率比较高。
zing: 它属于 zual 这家公司，非常牛，是一个商业产品，很贵！它的垃圾回收速度非常快（1 毫秒之内），是业界标杆。它的一个垃圾回收的算法后来被 Hotspot 吸收才有了现在的 ZGC

JVM整体知识模块

JVM 能涉及非常庞大的一块知识体系，比如内存结构、垃圾回收、类加载、性能调优、JVM 自身优化技术、执行引擎、类文件结构、监控工具等。
但是在所有的知识体系中，都或多或少跟内存结构有一定的关系：
比如垃圾回收回收的就是内存、类加载加载到的地方也是内存、性能优化也涉及到内存优化、执行引擎与内存密不可分、类文件结构与内存的设计有关
系，监控工具也会监控内存。所以内存结构处于 JVM 中核心位置。也是属于我们入门 JVM 学习的最好的选
同时 JVM 是一个虚拟化的操作系统，所以除了要虚拟指令之外，最重要的一个事情就是需要虚拟化内存，这个虚拟化内存就是我们马上要讲到的 JVM 的内存

6. JVM的内存区域 6.1 运行时数据区域

运行时数据区的定义：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
Java 引以为豪的就是它的自动内存管理机制。相比于 C++的手动内存管理、复杂难以理解的指针等，Java 程序写起来就方便的多。
所以要深入理解 JVM 必须理解内存虚拟化的概念。
在 JVM 中，JVM 内存主要分为堆、程序计数器、方法区、虚拟机栈和本地方法栈等。
同时按照与线程的关系也可以这么划分区域：
线程私有区域：一个线程拥有单独的一份内存区域。
线程共享区域：被所有线程共享，且只有一份。
这里还有一个直接内存，这个虽然不是运行时数据区的一部分，但是会被频繁使用。你可以理解成没有被虚拟机化的操作系统上的其他内存（比如操作
系统上有 8G 内存，被 JVM 虚拟化了 3G，那么还剩余 5G， JVM 是借助一些工具使用这 5G 内存的，这个内存部分称之为直接内存）

6.2 JAVA方法的运行与虚拟机栈

虚拟机栈是线程运行 java 方法所需的数据，指令、返回地址。其实在我们实际的代码中，一个线程是可以运行多个方法的。
比如:

public class MethodAndStack {
    public static void main(String[] args) {

    }
    public static void A(){
        B();
    }

    public static void B() {
        C();
    }
    public static void C() {
    }
}

这段代码很简单，就是起一个 main 方法，在 main 方法运行中调用 A 方法，A 方法中调用 B 方法，B 方法中运行 C 方法。
我们把代码跑起来，线程 1 来运行这段代码，线程 1 跑起来，就会有一个对应的虚拟机栈，同时在执行每个方法的时候都会打包成一个栈帧。

简单说明一下
1.main方法开始运行,打包一个栈帧送入到虚拟机栈
2.main方法调用A方法,A方法打包入栈
3.A方法调用B方法,B方法打包入栈
4.B方法调用C方法,C方法打包入
方法运行完之后开始出栈
1.C方法运行完了,C出栈
2.接着B方法运行完了B出栈
3.接着A方法运行完了,A方法出栈
4.最后main方法运行完了,main方法出栈
这个就是Java方法运行对虚拟机栈的一个影响.虚拟机栈就是用来存储线程运行方法中的数据的.而每一个方法对应一个栈帧

6.3 虚拟机栈

栈的数据结构：先进后出(FILO)的数据结构，
虚拟机栈的作用：在 JVM 运行过程中存储当前线程运行方法所需的数据，指令、返回地址。
虚拟机栈是基于线程的：哪怕你只有一个 main() 方法，也是以线程的方式运行的。在线程的生命周期中，参与计算的数据会频繁地入栈和出栈，栈的生
命周期是和线程一样的。
虚拟机栈的大小缺省为 1M，可用参数 –Xss 调整大小，例如-Xss256k。
参数官方文档（JDK1.8）：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

栈帧：在每个 Java 方法被调用的时候，都会创建一个栈帧，并入栈。一旦方法完成相应的调用，则出栈。
栈帧大体都包含四个区域：(局部变量表、操作数栈、动态连接、返回地址)

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（方法中的变量）。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。
操作数据栈：
存放 java 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。
操作数栈本质上是 JVM 执行引擎的一个工作区，也就是方法在执行，才会对操作数栈进行操作，如果代码不不执行，操作数栈其实就是空的。

为什么说操作数栈本质上是 JVM 执行引擎的一个工作区
如果要自己造一个操作系统,常用的模式就是
CPU + 缓存 + 主内存这三样是必要的
在cpu进行计算的时候它需要把数据从主内存中放到缓存里面再来参与cpu的计算.
JVM 是一个模拟板的操作系统
JVM 对应的CPU就是执行引擎主内存就对应栈,堆缓存就是操作数栈对用关系如下
CPU + 缓存 + 主内存
JVM执行引擎 + 操作数栈 + 缓存

动态连接:
Java 语言特性多态（后续章节细讲，需要结合 class 与执行引擎一起来讲）。
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）
同时，虚拟机栈这个内存也不是无限大，它有大小限制，默认情况下是 1M。
如果我们不断的往虚拟机栈中入栈帧，但是就是不出栈的话，那么这个虚拟机栈就会爆掉

public class StackError {
    public static void main(String[] args) {
        A();
    }

    public static void A() {
        A();
    }
}

运行结果如下

JVM基础知识(更新中)

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