JVM 虚拟机

JVM虚拟机

摘要

• JVM 虚拟机本身是一套规范,用于指导如何运行 Java程序.
• 不同的厂商可以基于规范实现自己的 JVM 虚拟机,如 Oracle 的 HotSpotVM,Alibaba 的 DragonWell,还有 IBM 的 J9.
• JVM 虚拟机是Java应用程序运行过程中所依赖的运行环境,主要负责解决 Java 跨平台以及自动内存管理两大特性.

跨平台

Java 语言能够跨平台使用主要依赖于 JVM虚拟机将

Java 类加载机制

类的生命周期

其中类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。在这五个阶段中，加载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的，而解析阶段则不一定，它在某些情况下可以在初始化阶段之后开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定(也成为动态绑定或晚期绑定)。另外注意这里的几个阶段是按顺序开始，而不是按顺序进行或完成，因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段。

类的加载: 查找并加载类的二进制数据

加载时类加载过程的第一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情:
- 通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流
- 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
- 在Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口

相对于类加载的其他阶段而言，加载阶段(准确地说，是加载阶段获取类的二进制字节流的动作)是可控性最强的阶段，因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载，也可以自定义自己的类加载器来完成加载。

加载阶段完成后，虚拟机外部的 二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，而且在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象，这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误(LinkageError错误)如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误。

加载.class文件的方式
- 从本地系统中直接加载
- 通过网络下载.class文件
- 从zip，jar等归档文件中加载.class文件
- 从专有数据库中提取.class文件

- 将Java源文件动态编译为.class文件

连接

验证: 确保被加载的类的正确性

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作:
文件格式验证: 验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如: 是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。
元数据验证: 对字节码描述的信息进行语义分析(注意: 对比javac编译阶段的语义分析)，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如: 这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外。
字节码验证: 通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。
符号引用验证: 确保解析动作能正确执行。

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间

准备: 为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意:

• 这时候进行内存分配的仅包括类变量(static)，而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。
• 这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值(如0、0L、null、false等)，而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。

假设一个类变量的定义为:

public static int value = 3；

那么变量value在准备阶段过后的初始值为0，而不是3，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为3的put static指令是在程序编译后，存放于类构造器<clinit>()方法之中的，所以把value赋值为3的动作将在初始化阶段才会执行。

这里还需要注意如下几点

• 对基本数据类型来说，对于类变量(static)和全局变量，如果不显式地对其赋值而直接使用，则系统会为其赋予默认的零值，而对于局部变量来说，在使用前必须显式地为其赋值，否则编译时不通过。
• 对于同时被static和final修饰的常量，必须在声明的时候就为其显式地赋值，否则编译时不通过；而只被final修饰的常量则既可以在声明时显式地为其赋值，也可以在类初始化时显式地为其赋值，总之，在使用前必须为其显式地赋值，系统不会为其赋予默认零值。
• 于引用数据类型reference来说，如数组引用、对象引用等，如果没有对其进行显式地赋值而直接使用，系统都会为其赋予默认的零值，即null。
• 如果在数组初始化时没有对数组中的各元素赋值，那么其中的元素将根据对应的数据类型而被赋予默认的零值。

如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，即同时被final和static修饰，那么在准备阶段变量value就会被初始化为ConstValue属性所指定的值。假设上面的类变量value被定义为:

public static final int value =3；

编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为3。我们可以理解为static final常量在编译期就将其结果放入了调用它的类的常量池中。

解析: 把类中的符号引用转换为直接引用

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。
直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄

初始化

初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值，JVM负责对类进行初始化，主要对类变量进行初始化。在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式:
- 声明类变量是指定初始值
- 使用静态代码块为类变量指定初始值
JVM初始化步骤
- 假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类
- 假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类
- 假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句
类初始化时机:
只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下六种:
- 创建类的实例，也就是new的方式
- 访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
- 调用类的静态方法
- 反射(如Class.forName("com.pdai.jvm.Test"))
- 初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化
- Java虚拟机启动时被标明为启动类的类(Java Test)，直接使用java命令来运行某个主类

使用

类访问方法区内的数据结构的接口， 对象是Heap区的数据。

卸载

Java虚拟机将结束生命周期的几种情况

• 执行了System.exit()方法
• 程序正常执行结束
• 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
• 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止

类加载器， JVM类加载机制

类加载器的层次

注意: 这里父类加载器并不是通过继承关系来实现的，而是采用组合实现的。

站在Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器: 启动类加载器: 它使用C++实现(这里仅限于Hotspot，也就是JDK1.5之后默认的虚拟机，有很多其他的虚拟机是用Java语言实现的)，是虚拟机自身的一部分；所有其他的类加载器: 这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机之外，并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader，这些类加载器需要由启动类加载器加载到内存中之后才能去加载其他的类。

站在Java开发人员的角度来看，类加载器可以大致划分为以下三类 :

启动类加载器: Bootstrap ClassLoader，负责加载存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安装目录，下同)下，或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库(如rt.jar，所有的java.*开头的类均被Bootstrap ClassLoader加载)。启动类加载器是无法被Java程序直接引用的。

扩展类加载器: Extension ClassLoader，该加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载JDK\jre\lib\ext目录中，或者由java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库(如javax.*开头的类)，开发者可以直接使用扩展类加载器。

应用程序类加载器: Application ClassLoader，该类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现，它负责加载用户类路径(ClassPath)所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

应用程序都是由这三种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，我们还可以加入自定义的类加载器。因为JVM自带的ClassLoader只是懂得从本地文件系统加载标准的java class文件，因此如果编写了自己的ClassLoader，便可以做到如下几点:

• 在执行非置信代码之前，自动验证数字签名
• 动态地创建符合用户特定需要的定制化构建类
• 从特定的场所取得java class，例如数据库中和网络中

寻找类加载器

寻找类加载器小例子如下:

ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
// 系统类加载器,亦或者应用类加载器 AppClassLoader
System.out.println(loader);
// 扩展类加载器 ExtClassLoader
System.out.println(loader.getParent());
// 启动类加载器 null
System.out.println(loader.getParent().getParent());

从上面的结果可以看出，并没有获取到ExtClassLoader的父Loader，原因是BootstrapLoader(引导类加载器)是用C语言实现的，找不到一个确定的返回父Loader的方式，于是就返回null。

类的加载

类加载有三种方式:
1、命令行启动应用时候由JVM初始化加载
2、通过Class.forName()方法动态加载
3、通过ClassLoader.loadClass()方法动态加载

// 首先判断该类型是否已经被加载
Class c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
    // 如果没有被加载，就委托给父类加载或者委派给启动类加载器加载
    try {
        if (parent != null) {
             // 如果存在父类加载器，就委派给父类加载器加载
            c = parent.loadClass(name, false);
        } else {
        // 如果不存在父类加载器，就检查是否是由启动类加载器加载的类
        // 通过调用本地方法native Class findBootstrapClass(String name)
            c = findBootstrapClass0(name);
        }
    } catch (ClassNotFoundException e) {
     // 如果父类加载器和启动类加载器都不能完成加载任务，才调用自身的加载功能
        c = findClass(name);
    }
}
if (resolve) {
    resolveClass(c);
}
return c;

双亲委派优势
- 系统类防止内存中出现多份同样的字节码
- 保证Java程序安全稳定运行

自定义类加载器

通常情况下，我们都是直接使用系统类加载器。但是，有的时候，我们也需要自定义类加载器。比如应用是通过网络来传输 Java 类的字节码，为保证安全性，这些字节码经过了加密处理，这时系统类加载器就无法对其进行加载，这样则需要自定义类加载器来实现。自定义类加载器一般都是继承自 ClassLoader 类，从上面对 loadClass 方法来分析来看，我们只需要重写 findClass 方法即可。下面我们通过一个示例来演示自定义类加载器的流程:

package com.pdai.jvm.classloader;
import java.io.*;
// 自定义类加载器,需要继承 ClassLoader
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    // 类加载器的根路径
    private String root;
    // 自定义类加载通过实现 findClass 来加载类
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // 加载类的二进制字节流
        byte[] classData = loadClassData(name);
        if (classData == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } else {
            // 根据二进制字节流定义类
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
    }
    private byte[] loadClassData(String className) {
        // 转换类名为文件名称
        String fileName = root + File.separatorChar
                + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
        try {
            InputStream ins = new FileInputStream(fileName);
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            int bufferSize = 1024;
            byte[] buffer = new byte[bufferSize];
            int length = 0;
            while ((length = ins.read(buffer)) != -1) {
                baos.write(buffer, 0, length);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
    public String getRoot() {
        return root;
    }
    public void setRoot(String root) {
        this.root = root;
    }
    public static void main(String[] args)  {
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
        // 设置自定义类的根路径
        classLoader.setRoot("D:\\temp");
        Class<?> testClass = null;
        try {
            testClass = classLoader.loadClass("com.pdai.jvm.classloader.Test2");
            Object object = testClass.newInstance();
            System.out.println(object.getClass().getClassLoader());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

自定义类加载器的核心在于对字节码文件的获取，如果是加密的字节码则需要在该类中对文件进行解密。由于这里只是演示，我并未对class文件进行加密，因此没有解密的过程。

这里有几点需要注意 :
1. 这里传递的文件名需要是类的全限定性名称，即com.pdai.jvm.classloader.Test2格式的，因为defineClass方法是按这种格式进行处理的
2. 最好不要重写loadClass方法，因为这样容易破坏双亲委托模式
3. 这类Test 类本身可以被 AppClassLoader 类加载，因此我们不能把com/pdai/jvm/classloader/Test2.class 放在类路径下。否则，由于双亲委托机制的存在，会直接导致该类由 AppClassLoader 加载，而不会通过我们自定义类加载器来加载

问题

通过 ClassLoader 加载的 Class 对象是保存在方法区还是堆区?
在 jdk1.8 后,元数据区的实现在了应用程序的本地内存上了,个人认为 Class 对象还是保存在了堆区中,因为通过 jmap dump内存的时候能够看到这些 Class 对象

JVM 内存结构

运行时数据区

JVM 内存布局规定了 Java 在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了 JVM 的高效稳定运行。不同的 JVM 对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。

Java 虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区，其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。另外一些则是与线程一一对应的，这些与线程一一对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

线程私有：程序计数器、虚拟机栈、本地方法区
线程共享：堆、方法区, 堆外内存（Java7的永久代或JDK8的元空间、代码缓存）

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
class 字节码本身是一种基于栈的指令集架构,其在运行过程中将寄存器抽象成为了栈的结构,通过对栈结构的操作完成代码执行的过程

使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢？为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址呢？
因为CPU需要不停的切换各个线程，这时候切换回来以后，就得知道接着从哪开始继续执行。JVM的字节码解释器就需要通过改变PC寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令。
PC寄存器为什么会被设定为线程私有的？
多线程在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程方法，CPU会不停的做任务切换，这样必然会导致经常中断或恢复。为了能够准确的记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，所以为每个线程都分配了一个PC寄存器，每个线程都独立计算，不会互相影响。
相关总结如下：
- 它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不计。也是运行速度最快的存储区域
- 在 JVM 规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程的生命周期一致
- 任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。如果当前线程正在执行的是 Java 方法，程序计数器记录的是 JVM 字节码指令地址，如果是执行 native 方法，则是未指定值（undefined）
- 它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成
- 字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令
- 它是唯一一个在 JVM 规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域

虚拟机栈

Java 虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)，早期也叫 Java 栈。每个线程在创建的时候都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧(Stack Frame），对应着一次次 Java 方法调用，是线程私有的，生命周期和线程一致。

作用：负责 Java 程序的运行，它保存方法的局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。
特点
- 栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于程序计数器
- JVM 直接对虚拟机栈的操作只有两个：每个方法执行，伴随着入栈（进栈/压栈），方法执行结束出栈
- 栈不存在垃圾回收问题
栈中可能出现的异常：
Java 虚拟机规范允许 Java虚拟机栈的大小是动态的或者是固定不变的

• 如果采用固定大小的 Java 虚拟机栈，那每个线程的 Java 虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过 Java 虚拟机栈允许的最大容量，Java 虚拟机将会抛出一个 StackOverflowError 异常
• 如果 Java 虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那 Java 虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常

可以通过参数-Xss来设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。

栈的存储单位

栈中存储什么?
- 每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在
- 在这个线程上正在执行的每个方法都各自有对应的一个栈帧
- 栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息

栈运行原理

• JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个，对栈帧的压栈和出栈，遵循“先进后出/后进先出”原则
• 在一条活动线程中，一个时间点上，只会有一个活动的栈帧。即只有当前正在执行的方法的栈帧（栈顶栈帧）是有效的，这个栈帧被称为当前栈帧（Current Frame），与当前栈帧对应的方法就是当前方法（Current Method），定义这个方法的类就是当前类（Current Class）
• 执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作
• 如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，放在栈的顶端，称为新的当前栈帧
• 线程之间的栈帧是隔离的，即不可能在一个栈帧中引用另外一个线程的栈帧
• 如果当前方法调用了其他方法，方法返回之际，当前栈帧会传回此方法的执行结果给前一个栈帧，接着，虚拟机会丢弃当前栈帧，使得前一个栈帧重新成为当前栈帧
• Java 方法有两种返回函数的方式，一种是正常的函数返回，使用 return 指令，另一种是抛出异常，不管用哪种方式，都会导致栈帧被弹出

栈帧的内部结构

每个栈帧（Stack Frame）中存储着
- 局部变量表（Local Variables）
- 操作数栈（Operand Stack）(或称为表达式栈)
- 动态链接（Dynamic Linking）：指向运行时常量池的方法引用
- 方法返回地址（Return Address）：方法正常退出或异常退出的地址

局部变量表

• 局部变量表也被称为局部变量数组或者本地变量表
• 是一组变量值存储空间，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量，包括编译器可知的各种 Java 虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它并不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此相关的位置）和 returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址，已被异常表取代）
• 由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据安全问题
• 局部变量表所需要的容量大小是编译期确定下来的，并保存在方法的 Code 属性的 maximum local variables 数据项中。在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的
• 方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。一般来说，栈越大，方法嵌套调用次数越多。对一个函数而言，它的参数和局部变量越多，使得局部变量表膨胀，它的栈帧就越大，以满足方法调用所需传递的信息增大的需求。进而函数调用就会占用更多的栈空间，导致其嵌套调用次数就会减少。
• 局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。在方法执行时，虚拟机通过使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。当方法调用结束后，随着方法栈帧的销毁，局部变量表也会随之销毁。
• 参数值的存放总是在局部变量数组的 index0 开始，到数组长度 -1 的索引结束

操作数栈

• 每个独立的栈帧中除了包含局部变量表之外，还包含一个后进先出（Last-In-First-Out）的操作数栈，也可以称为表达式栈（Expression Stack）
• 操作数栈，在方法执行过程中，根据字节码指令，往操作数栈中写入数据或提取数据，即入栈（push）、出栈（pop）
• 某些字节码指令将值压入操作数栈，其余的字节码指令将操作数取出栈。使用它们后再把结果压入栈。比如，执行复制、交换、求和等操作

我们说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈

动态链接（指向运行时常量池的方法引用）

• 每一个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接(Dynamic Linking)。
• 在 Java 源文件被编译到字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用（Symbolic Reference）保存在 Class 文件的常量池中。比如：描述一个方法调用了另外的其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用

JVM 是如何执行方法调用的?

方法调用不同于方法执行，方法调用阶段的唯一任务就是确定被调用方法的版本（即调用哪一个方法），暂时还不涉及方法内部的具体运行过程。Class 文件的编译过程中不包括传统编译器中的连接步骤，一切方法调用在 Class文件里面存储的都是符号引用，而不是方法在实际运行时内存布局中的入口地址（直接引用）。也就是需要在类加载阶段，甚至到运行期才能确定目标方法的直接引用。

在 JVM 中，将符号引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制有关
静态链接：当一个字节码文件被装载进 JVM 内部时，如果被调用的目标方法在编译期可知，且运行期保持不变时。这种情况下将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接
动态链接：如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，也就是说，只能在程序运行期将调用方法的符号引用转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也就被称之为动态链接

对应的方法的绑定机制为：早期绑定（Early Binding）和晚期绑定（Late Binding）。绑定是一个字段、方法或者类在符号引用被替换为直接引用的过程，这仅仅发生一次。

• 早期绑定：早期绑定就是指被调用的目标方法如果在编译期可知，且运行期保持不变时，即可将这个方法与所属的类型进行绑定，这样一来，由于明确了被调用的目标方法究竟是哪一个，因此也就可以使用静态链接的方式将符号引用转换为直接引用
• 晚期绑定：如果被调用的方法在编译器无法被确定下来，只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定方式就被称为晚期绑定

虚方法和非虚方法
- 如果方法在编译器就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时是不可变的。这样的方法称为非虚方法，比如静态方法、私有方法、final 方法、实例构造器、父类方法都是非虚方法
- 其他方法称为虚方法

虚方法表
在面向对象编程中，会频繁的使用到动态分派，如果每次动态分派都要重新在类的方法元数据中搜索合适的目标有可能会影响到执行效率。为了提高性能，JVM 采用在类的方法区建立一个虚方法表（virtual method table），使用索引表来代替查找。非虚方法不会出现在表中。
每个类中都有一个虚方法表，表中存放着各个方法的实际入口。
虚方法表会在类加载的连接阶段被创建并开始初始化，类的变量初始值准备完成之后，JVM 会把该类的方法表也初始化完毕。

方法返回地址（return address）
用来存放调用该方法的 PC 寄存器的值
一个方法的结束，有两种方式
- 正常执行完成
- 出现未处理的异常，非正常退出

无论通过哪种方式退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者的 PC 计数器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定的，栈帧中一般不会保存这部分信息

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法：
- 执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令，会有返回值传递给上层的方法调用者，简称正常完成出口
- 在方法执行的过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出。简称异常完成出口

本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。此时，需要恢复上层方法的局部变量表、操作数栈、将返回值压入调用者栈帧的操作数栈、设置PC寄存器值等，让调用者方法继续执行下去。

正常完成出口和异常完成出口的区别在于：通过异常完成出口退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值

本地方法栈

简单的讲，一个 Native Method 就是一个 Java 调用非 Java 代码的接口。我们知道的 Unsafe 类就有很多本地方法。
为什么要使用本地方法（Native Method）?
- 与 Java 环境外交互：有时 Java 应用需要与 Java 外面的环境交互，这就是本地方法存在的原因。
- 与操作系统交互：JVM 支持 Java 语言本身和运行时库，但是有时仍需要依赖一些底层系统的支持。通过本地方法，我们可以实现用 Java 与实现了 jre 的底层系统交互， JVM 的一些部分就是 C 语言写的。
- Sun's Java：Sun的解释器就是C实现的，这使得它能像一些普通的C一样与外部交互。jre大部分都是用 Java 实现的，它也通过一些本地方法与外界交互。比如，类 java.lang.Thread 的 setPriority() 的方法是用Java 实现的，但它实现调用的是该类的本地方法 setPrioruty()，该方法是C实现的，并被植入 JVM 内部。

Java 虚拟机栈用于管理 Java 方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用
- 本地方法栈也是线程私有的
- 允许线程固定或者可动态扩展的内存大小
- 如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量，Java 虚拟机将会抛出一个 StackOverflowError 异常
- 如果本地方法栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的本地方法栈，那么 Java虚拟机将会抛出一个OutofMemoryError异常
- 本地方法是使用 C 语言实现的
- 它的具体做法是 Native Method Stack 中登记 native 方法，在 Execution Engine 执行时加载本地方法库当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界。它和虚拟机拥有同样的权限
- 本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区，它甚至可以直接使用本地处理器中的寄存器，直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存
- 并不是所有 JVM 都支持本地方法。因为 Java 虚拟机规范并没有明确要求本地方法栈的使用语言、具体实现方式、数据结构等。如果 JVM 产品不打算支持 native 方法，也可以无需实现本地方法栈
- 在 Hotspot JVM 中，直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一

栈是运行时的单位，而堆是存储的单位

堆内存

对于大多数应用，Java 堆是 Java 虚拟机管理的内存中最大的一块，被所有线程共享。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数据都在这里分配内存。
分代收集理论
- [弱分代假说]绝大部分对象都是朝生夕灭的,存活时间不长
- [强分代假说]熬过越多次垃圾收集过程的对象就越难以消亡

值得注意的是，分代收集理论也有其缺陷，最新出现（或在实验中）的几款垃圾收集器都展现出了面向全区域收集设计的思想，或者可以支持全区域不分代的收集的工作模式

为了进行高效的垃圾回收，虚拟机把堆内存逻辑上划分成三块区域（分代的唯一理由就是优化 GC 性能）：

• 新生带（年轻代）：新对象和没达到一定年龄的对象都在新生代
• 老年代（养老区）：被长时间使用的对象，老年代的内存空间应该要比年轻代更大
• 元空间（JDK1.8 之前叫永久代）：像一些方法中的操作临时对象等，JDK1.8 之前是占用 JVM 内存，JDK1.8 之后直接使用物理内存

跨代引用假说
该假说认为只会存在很少的跨代引用。因为只要经过一些次数的垃圾收集，即使还存在跨代引用，新生代会变成老年代，跨代引用也就自然消失了，所以跨代引用的数量不会多。在对新生代对象进行收集时，由于可能存在老年代对象引用了该对象，那么，需要找到这些老年代对象。根据跨代引用假说，这些跨代引用的数量不会太多，相比于对老年代进行扫描，在新生代建立一个全局数据结构，记录哪一块老年代内存会存在跨代引用，虽然维护这个数据结构，也需要少量的开销。但仍然显得更加合算。

根据分代理论，新生代的对象很大概率一次垃圾收集就会被回收，而老年代中的对象在下一次垃圾收集被回收的概率较小，正是由于这个区别，新生代和老年代的垃圾收集会使用不同的垃圾收集算法和垃圾收集器。

Java 虚拟机规范规定，Java 堆可以是处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，像磁盘空间一样。实现时，既可以是固定大小，也可以是可扩展的，主流虚拟机都是可扩展的（通过 -Xmx 和 -Xms 控制），如果堆中没有完成实例分配，并且堆无法再扩展时，就会抛出 OutOfMemoryError 异常

年轻代 (Young Generation)
年轻代是所有新对象创建的地方。当填充年轻代时，执行垃圾收集。这种垃圾收集称为 Minor GC。年轻一代被分为三个部分——伊甸园（Eden Memory）和两个幸存区（Survivor Memory，被称为from/to或s0/s1），默认比例是8:1:1

• 大多数新创建的对象都位于 Eden 内存空间中
• 当 Eden 空间被对象填充时，执行Minor GC，并将所有幸存者对象移动到一个幸存者空间中
• Minor GC 检查幸存者对象，并将它们移动到另一个幸存者空间。所以每次，一个幸存者空间总是空的
• 经过多次 GC 循环后存活下来的对象被移动到老年代。通常，这是通过设置年轻一代对象的年龄阈值来实现的，然后他们才有资格提升到老一代
  ¶老年代(Old Generation)

老年代(Old Generation)
旧的一代内存包含那些经过许多轮小型 GC 后仍然存活的对象。通常，垃圾收集是在老年代内存满时执行的。老年代垃圾收集称为 主GC（Major GC），通常需要更长的时间。

大对象直接进入老年代（大对象是指需要大量连续内存空间的对象）。这样做的目的是避免在 Eden 区和两个Survivor 区之间发生大量的内存拷贝

元空间
不管是 JDK8 之前的永久代，还是 JDK8 及以后的元空间，都可以看作是 Java 虚拟机规范中方法区的实现。

虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开。

查看 JVM 堆内存分配

• 在默认不配置 JVM 堆内存大小的情况下，JVM 根据默认值来配置当前内存大小
• 默认情况下新生代和老年代的比例是 1:2，可以通过 –XX:NewRatio 来配置
  
  • 新生代中的 Eden:From Survivor:To Survivo
  • 若在 JDK 7 中开启了 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy，JVM 会动态调整 JVM 堆中各个区域的大小以及进入老年代的年龄
    此时 –XX:NewRatio 和 -XX:SurvivorRatio 将会失效，而 JDK 8 是默认开启-XX:+UseAdaptiveSizePolicy
    在 JDK 8中，不要随意关闭-XX:+UseAdaptiveSizePolicy，除非对堆内存的划分有明确的规划
    每次 GC 后都会重新计算 Eden、From Survivor、To Survivor 的大小

对象在堆中的生命周期

• 在 JVM 内存模型的堆中，堆被划分为新生代和老年代
  新生代又被进一步划分为 Eden区 和 Survivor区，Survivor 区由 From Survivor 和 To Survivor 组成
• 当创建一个对象时，对象会被优先分配到新生代的 Eden 区
  此时 JVM 会给对象定义一个对象年轻计数器（-XX:MaxTenuringThreshold)
• 当 Eden 空间不足时，JVM 将执行新生代的垃圾回收（Minor GC）
  
  • JVM 会把存活的对象转移到 Survivor 中，并且对象年龄 +1
  • 对象在 Survivor 中同样也会经历 Minor GC，每经历一次 Minor GC，对象年龄都会+1
• 如果分配的对象超过了-XX:PetenureSizeThreshold，对象会直接被分配到老年代

对象的分配过程

1. new 的对象先放在伊甸园区，此区有大小限制
2. 当伊甸园区内存不足时，JVM 的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收（Minor GC），将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。再加载新的对象放到伊甸园区
3. 然后将伊甸园中的剩余对象移动到Survivor0 区
4. 如果再次触发垃圾回收，此时上次幸存下来的放到幸存者 0 区，如果没有回收，就会放到幸存者 1 区
5. 如果再次经历垃圾回收，此时会重新放回幸存者 0 区，接着再去幸存者 1 区
6. 什么时候才会去养老区呢？ 默认是 15 次回收标记
7. 当Old区内存不足时，再次触发 Major GC，进行Old区的内存清理
8. 若 Old区执行了 MajorGC之后发现内存依旧不足,则会产生 OOM 异常

GC 垃圾回收简介

JVM 在进行 GC 时，并非每次都对堆内存（新生代、老年代；方法区）区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。

针对 HotSpot VM 的实现，它里面的 GC 按照回收区域又分为两大类：部分收集（Partial GC），整堆收集（Full GC）

• 部分收集：不是完整收集整个 Java 堆的垃圾收集。其中又分为：
  
  • 新生代收集（Minor GC/Young GC）：只是新生代的垃圾收集
  • 老年代收集（Major GC/Old GC）：只是老年代的垃圾收集
  • 目前，只有 CMS GC 会有单独收集老年代的行为
  • 很多时候 Major GC 会和 Full GC 混合使用，需要具体分辨是老年代回收还是整堆回收
  • 混合收集（Mixed GC）：收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集
  • 目前只有 G1 GC 会有这种行为
• 整堆收集（Full GC）：收集整个 Java 堆和方法区的垃圾

TLAB

什么是 TLAB （Thread Local Allocation Buffer）?
- 从内存模型而不是垃圾回收的角度，对 Eden 区域继续进行划分，JVM 为每个线程分配了一个私有缓存区域，它包含在 Eden 空间内
- 多线程同时分配内存时，使用 TLAB 可以避免一系列的非线程安全问题，同时还能提升内存分配的吞吐量，因此我们可以将这种内存分配方式称为快速分配策略
- OpenJDK 衍生出来的 JVM 大都提供了 TLAB 设计

为什么要有 TLAB ?
- 堆区是线程共享的，任何线程都可以访问到堆区中的共享数据
- 由于对象实例的创建在 JVM 中非常频繁，因此在并发环境下从堆区中划分内存空间不是线程安全的
- 避免多个线程操作同一地址，需要使用加锁等机制，进而影响分配速度
- 尽管不是所有的对象实例都能够在 TLAB 中成功分配内存，但 JVM 确实是将 TLAB 作为内存分配的首选。

在程序中，可以通过 -XX:UseTLAB 设置是否开启 TLAB 空间

参考资料

Java 类加载机制
java类的加载机制
类加载机制