Java程序是如何運(yùn)行的

JVM是Java的運(yùn)行時(shí)虛擬機(jī)，所有的Java程序都是在JVM沙箱中運(yùn)行，每個(gè)Java程序就是一個(gè)獨(dú)立的JVM進(jìn)程。

談到Java程序是如何運(yùn)行的，首先需要理解的肯定是JVM是如何運(yùn)行的，什么是JVM；要理解我們編寫的Java程序，運(yùn)行起來以后到底是什么樣子，本質(zhì)上就是弄清楚JVM是什么樣子。

Java程序的代碼是什么樣的

Java誕生之初最大的賣點(diǎn)就是編寫的代碼跨平臺可移植性，實(shí)現(xiàn)這種可移植性，是因?yàn)镴ava通過平臺特定的虛擬機(jī)，運(yùn)行中間的字節(jié)碼，而不是直接編譯成本地二進(jìn)制代碼實(shí)現(xiàn)，中間字節(jié)碼也就是java文件編譯后生成的.class文件，Jar包的話，實(shí)際上只是一系列.class文件的集合。

編寫Java程序，首先需要一個(gè)入口點(diǎn)，在運(yùn)行的時(shí)候通過指定MainClass來指定入口點(diǎn)，代碼層面主類必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)靜態(tài)的main函數(shù)，運(yùn)行時(shí)虛擬機(jī)會從MainClass.main開始執(zhí)行指令，其他的邏輯只是import和函數(shù)調(diào)用了。

SDK自帶的javac命令，負(fù)責(zé)將我們編程的Java代碼，也就是.java文件，編譯成平臺無關(guān)的字節(jié)碼；字節(jié)碼可以在任何操作系統(tǒng)平臺上，通過平臺對應(yīng)的JVM執(zhí)行；JVM執(zhí)行的時(shí)候，運(yùn)行字節(jié)碼，根據(jù)自己的平臺特性，將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成平臺相關(guān)的二進(jìn)制碼運(yùn)行。

javac編譯器運(yùn)行的過程大致分為：詞法分析（Token流）、語法分析（語法樹）、語義分析（注解語法樹），還有代碼生成器，根據(jù)注解語法樹，生成字節(jié)碼，

語義分析階段，編譯器會做一些操作，將人類友好的代碼，做一些處理，轉(zhuǎn)換成更符合機(jī)器執(zhí)行機(jī)制的代碼，例如全局變量，魔法變量，依賴注入，注解這些魔法機(jī)制。大致分為以下步驟：

1. 給類添加默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)

2. 處理注解

3. 檢查語義的合法性并進(jìn)行邏輯判斷

4. 數(shù)據(jù)流分析

5. 對語法樹進(jìn)行語義分析(變量自動轉(zhuǎn)換并去掉語法糖)

JVM是什么

JVM = 類加載器 classloader + 執(zhí)行引擎 execution engine + 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域 runtime data area

JVM就是運(yùn)行編譯好字節(jié)碼的虛擬機(jī)，不同的操作系統(tǒng)和平臺上，虛擬機(jī)將平臺無關(guān)的字節(jié)碼，編譯成特定平臺的指令去執(zhí)行。我覺得，JVM首先是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行在操作系統(tǒng)上的進(jìn)程。執(zhí)行java命令運(yùn)行程序的時(shí)候，會啟動一個(gè)進(jìn)程，每個(gè)獨(dú)立的程序就運(yùn)行在一個(gè)獨(dú)立的JVM進(jìn)程里。JVM負(fù)責(zé)執(zhí)行字節(jié)碼，從而實(shí)現(xiàn)程序要完成的所有功能。

JVM主要由三部分組成：類加載器、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)和執(zhí)行引擎。類加載器加載編譯好的.class文件，將所有類結(jié)構(gòu)和方法變量放入運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，初始化之后，將程序的執(zhí)行交給執(zhí)行引擎；JIT編譯器，負(fù)責(zé)將字節(jié)碼編譯成平臺特定的二進(jìn)制碼，調(diào)用本地接口庫。垃圾回收器作為執(zhí)行引擎的一部分，負(fù)責(zé)維護(hù)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)中可變的應(yīng)用程序內(nèi)存空間。

類加載器（ClassLoader）

類加載器將類加載到內(nèi)存，并管理類的生命周期，知道將類從內(nèi)存中卸載結(jié)束生命周期。

系統(tǒng)提供了三種類加載器，分別用于不同類的加載：

1. 啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader），該加載器會將lib目錄下能被虛擬機(jī)識別的類加載到內(nèi)存中，也就是系統(tǒng)類

2. 擴(kuò)展類加載器（Extension ClassLoader），該加載器會將libext目錄下的類庫加載到內(nèi)存

3. 應(yīng)用程序類加載器（Application ClassLoader），該加載器負(fù)責(zé)加載用戶路徑上所指定的類庫。

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Area）

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，是JVM運(yùn)行時(shí)，在內(nèi)存中分配的空間。

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，被分為五個(gè)不同的結(jié)構(gòu)：

1. Java虛擬機(jī)棧（Java Stacks）: 也叫棧內(nèi)存，主管Java程序的運(yùn)行，是在線程創(chuàng)建時(shí)創(chuàng)建，它的生命期是跟隨線程的生命期，線程結(jié)束棧內(nèi)存也就釋放，對于棧來說不存在垃圾回收問題，只要線程一結(jié)束該棧就Over，生命周期和線程一致，是線程私有的。

2. 本地方法棧（Native Method Memory）: 登記的native方法，執(zhí)行引擎執(zhí)行時(shí)加載

3. 程序寄存器（PC Registers）: 當(dāng)前線程所執(zhí)行字節(jié)碼的指針，存儲每個(gè)線程下一步要執(zhí)行的字節(jié)碼JVM指令。

4. Java堆（Heap Memory）: 應(yīng)用的對象和數(shù)據(jù)都是存在這個(gè)區(qū)域，這塊區(qū)域也是線程共享的，也是gc 主要的回收區(qū)，一個(gè) JVM 實(shí)例只存在一個(gè)堆類存，堆內(nèi)存的大小是可以調(diào)節(jié)的。類加載器讀取了類文件后，需要把類、方法、常變量放到堆內(nèi)存中，以方便執(zhí)行器執(zhí)行。

5. 方法區(qū)（Method Area）: 所有定義的方法的信息都保存在該區(qū)域，此區(qū)域?qū)儆诠蚕韰^(qū)間。靜態(tài)變量+常量+類信息+運(yùn)行時(shí)常量池存在方法區(qū)中，實(shí)例變量存在堆內(nèi)存中。

其中的程序寄存器、Java虛擬機(jī)棧是按照線程分配的，每個(gè)線程都有自己私有的獨(dú)立空間。

運(yùn)行的方法和運(yùn)行期數(shù)據(jù)，以棧幀的形式存儲在運(yùn)行時(shí)JVM虛擬機(jī)棧中，棧幀中保存了本地變量，包括輸入輸出參數(shù)和本地變量；保存類文件和方法等幀數(shù)據(jù)，還記錄了出棧入棧操作。每一個(gè)方法被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程就對應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中從入棧到出棧的過程。

堆在JVM是所有線程共享的，因此在其上進(jìn)行對象內(nèi)存的分配均需要進(jìn)行加鎖。

執(zhí)行引擎（Execution Engine）

執(zhí)行引擎由三個(gè)模塊組成，分別是執(zhí)行引擎，JIT Compiler和Garbage Collector，執(zhí)行引擎的核心是Jit Compiler，執(zhí)行字節(jié)碼或者本地方法；垃圾回收器，則是一系列線程，負(fù)責(zé)管理分代堆內(nèi)存。

三個(gè)模塊分別是運(yùn)行時(shí)計(jì)算和運(yùn)行時(shí)內(nèi)存的管理，負(fù)責(zé)執(zhí)行運(yùn)行時(shí)指令的是執(zhí)行引擎，通過程序寄存器和虛擬機(jī)棧中的棧幀出入棧實(shí)現(xiàn)方法和指令的執(zhí)行。GC則負(fù)責(zé)堆內(nèi)存的管理，因?yàn)镚C的時(shí)候需要停止指令的執(zhí)行，消耗資源，所以采用分代方式管理對象收集。JIT則是把字節(jié)碼編譯成本地二進(jìn)制代碼，并調(diào)用本地庫執(zhí)行。

GC垃圾回收機(jī)制

Java的內(nèi)存管理，主要是針對的堆內(nèi)存，因?yàn)槎褍?nèi)存是運(yùn)行時(shí)程序和數(shù)據(jù)分配的空間；不同于內(nèi)存的其他區(qū)域，加載完程序之后，基本上可以確定需要占用的空間大?。籬eap memory 空間會在運(yùn)行時(shí)動態(tài)的分配，無法預(yù)測，可大可小，而且快速變化，管理不慎就容易產(chǎn)生內(nèi)存溢出，所以由JVM提供了強(qiáng)大的分代內(nèi)存管理機(jī)制。

JVM 使用分代內(nèi)存管理，來分配運(yùn)行時(shí)的堆內(nèi)存結(jié)構(gòu)，針對不同的世代，采用不同的垃圾回收算法。

常用垃圾回收算法

• 引用計(jì)數(shù)器法（Reference Counting）

• 標(biāo)記清除法（Mark-Sweep）

• 復(fù)制算法（Coping）

• 標(biāo)記壓縮法（Mark-Compact）

• 分代算法（Generational Collecting）

• 分區(qū)算法（Region）

堆內(nèi)存的組成

heap 的組成有三區(qū)域/世代：分別是新生代（Young Generation）、老生代（Old Generation/tenured）和永久區(qū)（Perm）。

新生代堆內(nèi)存又分成Eden區(qū)和兩個(gè)生存區(qū)，其中Eden區(qū)和生存區(qū)的占比為8:1:1，在清理新生代內(nèi)存的時(shí)候，使用的是復(fù)制清除算法，優(yōu)點(diǎn)是清除以后不會產(chǎn)生碎片；簡單的復(fù)制算法，將內(nèi)存分成大小相同的兩個(gè)區(qū)域，每次周期只分配其中的一半，這樣空間利用率比較低，只使用了一半的內(nèi)存。

考慮到新生代內(nèi)存區(qū)的對象都是周期很短的，所以JVM實(shí)現(xiàn)了一種優(yōu)化的復(fù)制算法，設(shè)置一個(gè)較大的Eden區(qū)來分配對象內(nèi)存，Eden區(qū)空間不夠了觸發(fā)垃圾回收，將上一個(gè)生存區(qū)和Eden區(qū)中還存活的對象，復(fù)制到空閑的生存區(qū)。然后清空上述兩個(gè)區(qū)域，這樣就不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片。

將清理一定次數(shù)（15次）還生存的對象，定期晉升到老生代內(nèi)存區(qū)，如果生存區(qū)空間不夠了，則馬上就會觸發(fā)晉升機(jī)制。將部分對象直接晉升到老生代。

如果晉升之后，發(fā)現(xiàn)老生代內(nèi)存不夠，就會觸發(fā)完整的全局GC，清理老生代和新生代內(nèi)存，老生代內(nèi)存清理需要使用標(biāo)記清除和標(biāo)記整理兩種算法。

GC工作原理

分配內(nèi)存的時(shí)候，首先分配到新生代的Eden區(qū)，如果Eden區(qū)滿了，就會發(fā)起一次Minor GC，將Eden和From Survivor生存的對象，拷貝到To Survivor Space，如果清理過程中，to Space的空間占用達(dá)到一定閾值，或者有對象經(jīng)歷Minor GC的次數(shù)達(dá)標(biāo)，就會將對象移動到老生代內(nèi)存。如果移動過程中發(fā)現(xiàn)，老生代內(nèi)存的空間已經(jīng)不夠了。這時(shí)就需要發(fā)起Full GC，先進(jìn)行一次Minor GC，然后通過CMS進(jìn)行標(biāo)記清除算法，清理老生代內(nèi)存，老生代內(nèi)存經(jīng)歷標(biāo)記清除之后，因?yàn)闀a(chǎn)生內(nèi)存碎片，還需要采用標(biāo)記整理算法，將所有內(nèi)存塊往前移動，形成連續(xù)的內(nèi)存空間。

老生代標(biāo)記清除的優(yōu)點(diǎn)是不需要額外空間。不同于老生代清除算法，會產(chǎn)生碎片，而且標(biāo)記算法的成本開銷也很大；在新生代清除中，因?yàn)榭紤]到大多數(shù)新生代對象生存期都是很短暫的，可以使用一種空間換時(shí)間的思路，拿出一部分內(nèi)存空間不分配，而是作為中轉(zhuǎn)，將每次檢查時(shí)還生存的對象拷貝到Survivor Space，然后直接清除所有原區(qū)域的對象，因?yàn)榇罅繉ο蠖际巧嬷芷跇O短的，所以Survivor Space的空間可以遠(yuǎn)小于正常分配的空間。

不同于引用計(jì)數(shù)方法，Java使用一種 GC Roots 的對象作為起點(diǎn)開始檢查對象，當(dāng)一個(gè)對象到 GC Roots 沒有任何引用鏈相連時(shí), 即該對象不可達(dá), 也就說明此對象是不可用的。就會在GC的時(shí)候收回。

GC清理類型的時(shí)候，為了防止程序地址出現(xiàn)異常，需要stop the world，清理線程會停止所有運(yùn)行線程，直到清理完，這個(gè)時(shí)候是影響性能的。

垃圾回收器的本質(zhì)

垃圾回收器在JVM層面，是由一系列不同的組件組成的，每種組件是一個(gè)獨(dú)立線程，分別執(zhí)行自己的邏輯。

新生代垃圾收集器：

1. Serial（串行）收集器是最基本、發(fā)展歷史最悠久的收集器，它是采用復(fù)制算法的新生代收集器，。它是一個(gè)單線程收集器，只會使用一個(gè)CPU或一條收集線程去完成垃圾收集工作，更重要的是它在進(jìn)行垃圾收集時(shí)，必須暫停其他所有的工作線程，直至Serial收集器收集結(jié)束為止（“Stop The World”）。

2. ParNew收集器就是Serial收集器的多線程版本，它也是一個(gè)新生代收集器。除了使用多線程進(jìn)行垃圾收集外，其余行為包括Serial收集器可用的所有控制參數(shù)、收集算法（復(fù)制算法）、Stop The World、對象分配規(guī)則、回收策略等與Serial收集器完全相同，兩者共用了相當(dāng)多的代碼。

3. Parallel Scavenge收集器也是一個(gè)并行的多線程新生代收集器，它也使用復(fù)制算法。Parallel Scavenge收集器的特點(diǎn)是它的關(guān)注點(diǎn)與其他收集器不同，CMS等收集器的關(guān)注點(diǎn)是盡可能縮短垃圾收集時(shí)用戶線程的停頓時(shí)間，而Parallel Scavenge收集器的目標(biāo)是達(dá)到一個(gè)可控制的吞吐量（Throughput）。

老生代垃圾收集器：

1. Serial Old 是Serial收集器的老年代版本，它同樣是一個(gè)單線程收集器，使用“標(biāo)記-整理”（Mark-Compact）算法

2. Parallel Old收集器是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多線程和“標(biāo)記-整理”算法

3. CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短回收停頓時(shí)間為目標(biāo)的收集器，優(yōu)點(diǎn)是：并發(fā)收集、低停頓，因此CMS收集器也被稱為并發(fā)低停頓收集器（Concurrent Low Pause Collector）

面向服務(wù)端的G1收集器。

G1收集器是一款面向服務(wù)端應(yīng)用的垃圾收集器。

在使用G1收集器時(shí)，Java堆的內(nèi)存布局和其他收集器有很大的差別，它將這個(gè)Java堆分為多個(gè)大小相等的獨(dú)立區(qū)域，雖然還保留新生代和老年代的概念，但是新生代和老年代不再是物理隔離的了，它們都是一部分Region（不需要連續(xù)）的集合。

GC回收的觸發(fā)條件

Minor GC觸發(fā)條件：當(dāng)Eden區(qū)滿時(shí)，觸發(fā)Minor GC

Full GC觸發(fā)條件：

1. gc()方法的調(diào)用

2. 老年代代空間不足

3. 方法區(qū)空間不足

4. CMS GC時(shí)出現(xiàn)promotion failed和concurrent mode failure

5. 統(tǒng)計(jì)得到的Minor GC晉升到舊生代的平均大小大于老年代的剩余空間

6. 堆中分配很大的對象

7. 通過Minor GC后進(jìn)入老年代的平均大小大于老年代的可用內(nèi)存

8. 由Eden區(qū)、From Space區(qū)向To Space區(qū)復(fù)制時(shí)，對象大小大于To Space可用內(nèi)存，則把該對象轉(zhuǎn)存到老年代，且老年代的可用內(nèi)存小于該對象大小

GC Roots

在Java語言中，可以作為GC Roots的對象包括下面幾種：

• 虛擬機(jī)棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象；

• 方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對象；

• 方法區(qū)中常量引用的對象；

• 本地方法棧中JNI（即一般說的Native方法）引用的對象；

總結(jié)就是，方法運(yùn)行時(shí)，方法中引用的對象；類的靜態(tài)變量引用的對象；類中常量引用的對象；Native方法中引用的對象。