Java中运行机制和内存机制的原理是什么

本篇文章为大家展示了Java中运行机制和内存机制的原理是什么，内容简明扼要并且容易理解，绝对能使你眼前一亮，通过这篇文章的详细介绍希望你能有所收获。

一、Java的运行机制

JVM工作原理和特点主要是指操作系统装入JVM是通过jdk中Java.exe来完成,通过下面4步来完成JVM环境.

1.创建JVM装载环境和配置

2.装载JVM.dll

3.初始化JVM.dll并挂界到JNIEnv(JNI调用接口)实例

4.调用JNIEnv实例装载并处理class类。

类从被加载到虚拟机类存中开始，到被卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：

加载 → 验证 → 准备 → 解析 → 初始化 → 使用 → 卸载   （7个部分）

加载：

1.JDK在执行程序运行命令时会去JRE目录中找到jvm.dll ， 并初始化JVM，这时会产生一个Bootstrap Loader（启动类加载器）

2.Bootstrap Loader 自动加载 Extended Loader（标准扩展类加载器）

3.Bootstrap Loader 自动加载 AppClass Loader（系统类加载器）

4.最后由 AppClass Loader 加载 我们指定（想要运行）的 java 类 

验证：

文件格式验证->元数据验证->字节码验证->符号引用验证

1.文件格式验证：主要是检查字节码的字节流是否符合Class文件格式的规范，验证该文件是否能被当前的 jvm 所处理，

如果没问题，字节里就可以进入方法区进行保存了；

2.元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析，保证其描述的内容符合java语言的语法规范，能被java虚拟机识别；

3.字节码验证：该部分最为复杂，对方法体内的内容进行验证，保证代码在运行时不会做出什么危害虚拟机安全的事件；

4.符号引用验证：来验证一些引用的真实性与可行性，比如代码里面引了其他类（符号中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类），这里就要去检测一下那些来究竟是否存在；或者说代码中访问了其他类的一些属性，这里就对那些属性的可以访问行进行了检验

准备：

准备阶段会为类变量（指的是静态变量，这就是我们常说的，静态变量/方法 在类加载的时候就执行了，通过类名.静态**来调用）分配内存并设置类的初始值；   值得一提的是 如果有以下语句： 

public static int i = 123 ;

在准备阶段的初始值是 0 ，而不是 123 ，是因为此时 只是分配内存空间而已， 并没有对 i 进行初始化， 真正的对 i 赋值是在 初始化 阶段

解析：

1.类或接口的解析；

2.字段解析；

3.类方法解析；

4.接口方法解析；

初始化：（也可以在解析之前执行）

类初始化阶段是类加载过程中的最后一步，这才是执行类中定义的java程序代码（也可以说是字节码）在准备阶段，已经为变量赋过一次系统要求的初始值，到了初始化阶段会根据程序员的要求出初始化变量赋值。

1.遇到new，get static，put static，invoke static这4条字节码指令时，假如类还没进行初始化，则马上对其进行初始化工作

2.使用java.lang.reflect.*的方法对类进行反射调用时，如果类还没有进行过初始化，立即马上光速对其进行初始化！！！

3.初始化一个类的时候，如果其父类还没有被初始化，那么会先去初始化其父类；

二、java的内存结构

在java中内存的占用主要分为四块：堆、栈、方法区和程序计数器其中，堆和栈是使用最多的。
堆（heap）：堆是一个运行时数据区，主要存放new出来的一些对象和数组。
栈（stack）：栈中主要保存一些基本的数据类型和对象的引用变量。

方法区：
        1、常量池：存放一些字符串常量和基本类型常量。2、静态区：内存在程序编译时就分配好的区域，主要存放一些静态变量(static的)；3、 代码区：存放程序方法的二进制代码，而且是多个对象共享一个代码空间区域；

程序计数器：记录程序下一步指令；

堆栈的运行机智和优缺点

堆中分配的内存，是运行时动态分配的，所以生存期也不必告诉编译区，由java虚拟机的垃圾回收机制回收，缺点：因为是动态分配内存，所以存取速度较慢。堆可以理解为一颗完全二叉树

栈的优势是：当在一段代码块定义一个变量时，Java就在栈中为这个变量分配内存空间，当超过变量的作用域后，Java会自动释放掉为该变量所分配的内存空间，该内存空间可以立即被另作他用。优点是：存取速度快，仅次于CPU中的寄存器，同时，数据可以共享。缺点是：数据大小和生存期必须是确定的，缺乏灵活性

三、java的内存管理机制

JVM内存管理机制说到底就是为了解决两个问题：给对象分配内存以及回收分配给对象的内存。

Java变量在内存中的分配

1、类变量（static修饰的变量）：在程序加载时系统就为它在堆中开辟了内存，堆中的内存地址存放于栈以便于高速访问。静态变量的生命周期–一直持续到整个”系统”关闭。 

2、实例变量：当你使用java关键字new的时候，系统在堆中开辟并不一定是连续的空间分配给变量（比如说类实例），然后根据零散的堆内存地址，通过哈希算法换算为一长串数字以表征这个变量在堆中的”物理位置”。 实例变量的生命周期–当实例变量的引用丢失后，将被GC（垃圾回收器）列入可回收“名单”中，但并不是马上就释放堆中内存。 
3、局部变量：局部变量，由声明在某方法，或某代码段里（比如for循环），执行到它的时候在栈中开辟内存，当局部变量一但脱离作用域，内存立即释放。 

4、String str =  new String("abc")和String str = "abc";

当通过new产生一个字符串时，先去常量池中查看是否有"abc"对象，如果没有，则在常量池中创建一个"abc"对象，然后在堆中创建一个常量池中"abc"的copy对象

第二种是先在栈中创建一个String对象的引用变量str的引用，然后找到栈中有没有存放值为"abc"的地址，如果没有，就开创一个字面值为"abc"的地址，然后在常量池中创建一个"abc"对象，并指向这个地址

不同的对象引用类型， GC会采用不同的方法进行回收，JVM对象的引用分为了四种类型：

（1）强引用：默认情况下，对象采用的均为强引用（这个对象的实例没有其他对象引用，GC时才会被回收）

（2）软引用：软引用是Java中提供的一种比较适合于缓存场景的应用（只有在内存不够用的情况下才会被GC）

（3）弱引用：在GC时一定会被GC回收

（4）虚引用：由于虚引用只是用来得知对象是否被GC

垃圾回收（GC，全称：garbage colletion）

（1）什么时候回收？

当内存不足或者当前空闲的时候进行垃圾回收，GC线程优先级都不太高；

（2）判断什么是垃圾？

一般来说，对于没有引用指向的对象，被标识为垃圾，没有对象指向它，也就无法对它进行操作，这个对象对于我们来说就是没用的；

（3）垃圾回收方法

标记清除算法、复制算法、标记整理算法以及分代回收算法

标记清除算法

该算法分为“标记”和“清除”两个阶段：标记阶段的任务是标记出所有需要被回收的对象，清除阶段就是回收被标记的对象所占用的空间。它是最基础的收集算法，效率也很高，但是会带来两个明显的问题：

• 效率问题

• 空间问题（标记清除后会产生大量不连续的碎片）

复制算法

将内存分为大小相同的两块，每次使用其中的一块。当第一块的内存使用完后，就将还存活的对象复制到另一块去，然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的一半进行回收。

这种算法的优缺点也比较明显

• 优点：解决碎片化问题，顺序分配内存简单高效

• 缺点：只适用于存活率低的场景，如果极端情况下如果对象面上的对象全部存活，就要浪费一半的存储空间。

标记整理算法

为了解决复制算法的缺陷，充分利用内存空间，提出了标记整理算法。该算法标记阶段和标记清除一样，但是在完成标记之后，它不是直接清理可回收对象，而是将存活对象都向一端移动，然后清理掉端边界以外的内存。 如下图所示：

分代收集算法

在堆中，采用分代收集算法，这种算法就是根据具体的情况选择具体的垃圾回收算法。一般将 java 堆分为新生代和老年代（Young Generation 和 Old Gereration），这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

新生代

• 多数情况下，对象都在新生代Eden区中分配，但一些大对象可能会直接进入到老年代。虚拟机提供了一个 -XX:PretenureSizeThreshold参数，令大于这个设置值的对象直接进老年代分配，这样做的目的是避免在Eden区以及两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝。

• 当新生代满了， 就会执行Garbage Collection (GC),此时的GC称为Minor GC。

• JVM执行Minor GC，被引用的对象都会存活下来，它们将被移到Survivor区域里，也就是 图中的S0或S1。

• 同一时间的两个Survivor区，一个用来保存对象，另一个是空的；每次进行Minor GC垃圾回收时，就把Eden，From的可达对象复制到To区域中，一些生存时间长的就复制到老年代，接着就清除Eden，From空间，最后把原来的To空间变为From空间，原来的From空间变为To空间。

• 如果对象在Eden出生并进过第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，并将对象年龄设为1，对象在Survivro区中每熬过一次Minor GC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为15岁）时，就会被晋升到老年代中。对象晋升老年代的年龄阈值，可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold来设置。

• 如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。

• 区域大部分对象 朝生夕灭，因此Minor GC回收频率高且回收速度很快。只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。所以采用复制算法

老年代

老年代的对象存活几率是比较高的，而且没有额外的空间对它进行分配担保，所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集。且回收频率不高

对象来源：

• 大对象直接进入老年代

• Young代中生存时间长的可达对象。

永久代

堆=新生代+老年代，不包括永久代（方法区）。

jvm的永久代（方法区）、常量池和变量的存储区，垃圾回收不会发生在永久代，当永久代存储满了或超过了临界值后才会触发完全垃圾回收（full gc）；jdk8后永久代已经去除，改存元空间区（本地内存区）中；最大可利用空间就变成了整个系统内存的可用空间.

在 JDK 1.8 中， HotSpot 已经没有 “PermGen space”这个区间了，取而代之是一个叫做 Metaspace（元空间） 的东西。下面我们就来看看 Metaspace 与 PermGen space 的区别。

移除永久代的原因

1. 移除永久代是为融合HotSpot JVM与JRockit VM而做出的努力，因为JRockit没有永久代，不需要配置永久代。

2. 永久代大小不确定，PermSize指定的太小很容易造成永久代OOM，因为PermSize的大小很依赖于很多因素，比如JVM加载的class总数，常量池的大小，方法的大小等。

四、内存调优

1、新生代和老年代溢出：java.lang.OutOfMemoryError:java heep space;当98%时间用于垃圾回收时,且可用的Heap size 不足2%的时候将抛出此异常信息；

解决方法：手动设置JVM Heap（堆）的大小

2、持久代溢出：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

解决方法： 通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize设置永久代大小即可。

3、栈溢出：java.lang.StackOverFlowError:Thread stack space

栈区远远小于堆区,栈区需要的内存大小1-2m左右；出现栈溢出，即说明单线程运行程序需要的内存太大；

解决方法：1：修改程序。2：通过 -Xss: 来设置每个线程的Stack大小即可。

4、java自带分析工具：

jstack(查看线程)、jmap(查看内存)和jstat(性能分析)命令

参数说明

• -Xmx3550m：设置JVM最大堆内存为3550M。

• -Xms3550m：设置JVM初始堆内存为3550M。此值可以设置与-Xmx相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。

• -Xss128k：设置每个线程的栈大小。JDK5.0以后每个线程栈大小为1M，之前每个线程栈大小为256K。应当根据应用的线程所需内存大小进行调整。在相同物理内存下，减小这个值能生成更多的线程。但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的，不能无限生成，经验值在3000~5000左右。需要注意的是：当这个值被设置的较大（例如>2MB）时将会在很大程度上降低系统的性能。

• -Xmn2g：设置年轻代大小为2G。在整个堆内存大小确定的情况下，增大年轻代将会减小年老代，反之亦然。此值关系到JVM垃圾回收，对系统性能影响较大，官方推荐配置为整个堆大小的3/8。

• -XX:NewSize=1024m：设置年轻代初始值为1024M。

• -XX:MaxNewSize=1024m：设置年轻代最大值为1024M。

• -XX:PermSize=256m：设置持久代初始值为256M。

• -XX:MaxPermSize=256m：设置持久代最大值为256M。

• -XX:NewRatio=4：设置年轻代（包括1个Eden和2个Survivor区）与年老代的比值。表示年轻代比年老代为1:4。

• -XX:SurvivorRatio=4：设置年轻代中Eden区与Survivor区的比值。表示2个Survivor区（JVM堆内存年轻代中默认有2个大小相等的Survivor区）与1个Eden区的比值为2:4，即1个Survivor区占整个年轻代大小的1/6。

• -XX:MaxTenuringThreshold=7：表示一个对象如果在Survivor区（救助空间）移动了7次还没有被垃圾回收就进入年老代。如果设置为0的话，则年轻代对象不经过Survivor区，直接进入年老代，对于需要大量常驻内存的应用，这样做可以提高效率。如果将此值设置为一个较大值，则年轻代对象会在Survivor区进行多次复制，这样可以增加对象在年轻代存活时间，增加对象在年轻代被垃圾回收的概率，减少Full GC的频率，这样做可以在某种程度上提高服务稳定性。

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