类加载：JVM负责加载Java类的字节码文件，通过类加载器实现这一任务。
内存管理：JVM自动管理内存分配和垃圾回收，以确保应用程序不会出现内存泄漏和溢出。
字节码执行：JVM解释或编译Java字节码，将其转换为本地机器码以执行应用程序。
多线程支持：JVM提供多线程支持，允许并发执行Java应用程序的部分或全部代码。
垃圾回收：JVM使用垃圾回收机制来自动释放不再被引用的内存，以提高内存利用率。

JVM 是 Java 运行的基础，也是实现一次编译到处执行的关键，那么 JVM 是如何执行的呢？

JVM 执行流程

程序在执行之前先要把java代码转换成字节码（class文件），JVM 首先需要把字节码通过一定的方式 类加载器（ClassLoader） 把文件加载到内存中 运行时数据区（Runtime Data Area） ，而字节码文件是 JVM 的一套指令集规范，并不能直接交个底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器 执行引擎（Execution Engine）将字节码翻译成底层系统指令再交由CPU去执行，而这个过程中需要调用其他语言的接口 本地库接口（Native Interface） 来实现整个程序的功能，这就是这4个主要组成部分的职责与功能。

总结来看， JVM 主要通过分为以下 4 个部分，来执行 Java 程序的，它们分别是：

1. 类加载器（ClassLoader）

2. 运行时数据区（Runtime Data Area）

3. 执行引擎（Execution Engine）

4. 本地库接口（Native Interface）

JVM 运行时数据区

JVM 运行时数据区域也叫内存布局，但需要注意的是它和 Java 内存模型（(Java Memory Model，简称JMM）完全不同，属于完全不同的两个概念，它由以下5大部分组成：

堆（线程共享）

堆的作用：程序中创建的所有对象都在保存在堆中。

我们常见的 JVM 参数设置 -Xms10m 最小启动内存是针对堆的，-Xmx10m 最大运行内存也是针对堆的。

ms 是 memory start 简称，mx 是 memory max 的简称。

堆里面分为两个区域：新生代和老生代，新生代放新建的对象，当经过一定 GC 次数之后还存活的对象会放入老生代。新生代还有 3 个区域：一个 Endn + 两个 Survivor（S0/S1）。

垃圾回收的时候会将 Eden 中存活的对象放到一个未使用的 Survivor 中，并把当前的 Endn 和正在使用的 Survivor 清楚掉。

Java虚拟机栈（线程私有）

Java 虚拟机栈的作用：Java 虚拟机栈的生命周期和线程相同，Java 虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的 内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。咱们常说的堆内存、栈内存中，栈内存指的就是虚拟机栈。

Java 虚拟机栈中包含了以下 4 部分：

1. 局部变量表：存放了编译器可知的各种基本数据类型(8大基本数据类型)、对象引用。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在执行期间不会改变局部变量表大小。简单来说就是存放方法参数和局部变量。

2. 操作栈：每个方法会生成一个先进后出的操作栈。

3. 动态链接：指向运行时常量池的方法引用。

4. 方法返回地址：即在方法执行完成后将控制返回到调用方法的指令位置。方法出口通常用于支持方法调用的返回操作。

什么是线程私有?

由于JVM的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现，因此在任何一个确定的时刻，一个处理器 (多核处理器则指的是一个内核) 都只会执行一条线程中的指令。因此为了切换线程后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储。我们就把类似这类区域称之为"线程私有"的内存。

程序计数器（线程私有）

程序计数器的作用：用来记录当前线程执行的行号的。

程序计数器是一块比较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

如果当前线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；

如果正在执行的是一个Native方法，这个计数器值为空。程序计数器内存区域是唯一一个在JVM规范中没有规定任何OOM情况的区域！

方法区（线程共享）

方法区的作用：用来存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据的。

在《Java虚拟机规范中》把此区域称之为“方法区”，而在 HotSpot 虚拟机的实现中，在 JDK 7 时此区域叫做永久代（PermGen），JDK 8 中叫做元空间（Metaspace）。

汽车（Java虚拟机规范）：在这个比喻中，汽车代表了Java虚拟机规范，它定义了Java虚拟机的基本结构和功能，其中包括了方法区的概念。

动能提供装置（方法区）：这相当于汽车的一个重要部分，就像Java虚拟机中的方法区一样。方法区是用于存储类的结构信息、静态变量、常量池、方法的字节码等的内存区域。它提供了Java应用程序所需的关键信息。

发动机和电机（永久代和元空间）：在不同类型的汽车中，动能提供装置可以有不同的实现。对于燃油车，它使用发动机作为动能提供装置，而电动汽车使用电机。同样地，Java虚拟机可以使用永久代或元空间来实现方法区。

永久代（PermGen）：就像燃油车使用汽油发动机一样，一些早期版本的Java虚拟机使用永久代作为方法区的实现。永久代有一些限制，如固定大小，可能会导致内存溢出问题。

元空间（Metaspace）：与之不同，元空间是Java虚拟机规范的一种新实现方式。它更灵活，不再受到永久代的限制，可以动态调整大小，避免了一些与永久代相关的问题。

总之，永久代和元空间都是Java虚拟机规范中对方法区的不同实现方式，就像汽油发动机和电动机都是动能提供装置的不同实现一样。选择使用哪种实现方式取决于Java虚拟机的版本和配置，以及应用程序的需求。这个比喻很好地概括了它们之间的关系。

JDK 1.8 元空间的变化

1. 对于 HotSpot 来说，JDK 8 元空间的内存属于本地内存，这样元空间的大小就不在受 JVM 最大内存的参数影响了，而是与本地内存的大小有关。

2. JDK 8 中将字符串常量池移动到了堆中。

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分，存放字面量与符号引用。

字面量 : 字符串(JDK 8 移动到堆中) 、final常量、基本数据类型的值。

符号引用 : 类和结构的完全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符。

内存布局中的异常问题

1. Java堆溢出

Java堆用于存储对象实例，只要不断的创建对象，并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免来 GC清除这些对象，那么在对象数量达到最大堆容量后就会产生内存溢出异常。

我们可以设置JVM参数-Xms:设置堆的最小值、-Xmx:设置堆最大值。下面我们来看一个 Java堆OOM的测试，测试以下代码之前先设置 Idea 的启动参数，如下图所示：

JVM 参数为:-Xmx20m -Xms20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

示例：


public class Main {
    static class OOMObject {
 
    }
    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list =
                new ArrayList<>();
        while(true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

以上程序的执行结果如下：

Java堆内存的OOM异常是实际应用中最常见的内存溢出情况。当出现Java堆内存溢出时，异常堆栈信息"java.lang.OutOfMemoryError"会进一步提示"Java heap space"。当出现"Java heap space"则很明确的告知我们，OOM发生在堆上。

此时要对Dump出来的文件进行分析，以MAT为例。分析问题的产生到底是出现了内存泄漏(Memory Leak)还是内存溢出(Memory Overflow)

内存泄漏 : 内存泄漏是指在程序中分配了一些内存（通常是用于存储对象或数据），但在后续的程序执行中，无法释放或回收这些内存，导致内存消耗不断增加，最终可能导致程序性能下降或崩溃。

内存溢出 : 内存溢出（Memory Overflow）是指在程序运行时，尝试分配的内存超出了可用的物理内存或虚拟内存的范围，导致程序无法继续正常执行的情况。内存溢出通常是由于程序内存管理不当或程序本身存在缺陷引起的。内存溢出会导致程序崩溃或异常终止。

2. 虚拟机栈和本地方法栈溢出

由于我们HotSpot虚拟机将虚拟机栈与本地方法栈合二为一，因此对于HotSpot来说，栈容量只需要由-Xss参数来设置。

关于虚拟机栈会产生的两种异常:

1. 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，会抛出StackOverFlow异常

2. 如果虚拟机在拓展栈时无法申请到足够的内存空间，则会抛出OOM异常

示例：

观察StackOverFlow异常(单线程环境下)


 
/**
* JVM参数为:-Xss128k
*/
public class Test {
    private int stackLength = 1;
 
    public void stackLeak() {
       stackLength++;
       stackLeak();
    }
 
    public static void main(String[] args) {
         Test test = new Test();
         try {
            test.stackLeak();
         } catch (Throwable e) {
            System.out.println("Stack Length: " + test.stackLength);
            throw e;
         }
    }
}

会出现如下运行结果：

出现StackOverflowError异常时有错误堆栈可以阅读，比较好找到问题所在。如果使用虚拟机默认参数，栈深度在多多数情况下达到1000-2000完全没问题，对于正常的方法调用（包括递归），完全够用。

如果是因为多线程导致的内存溢出问题，在不能减少线程数的情况下，只能减少最大堆和减少栈容量的方式来换取更多线程。


/**
* JVM参数为:-Xss2M 
*/
public class Test {
 
      private void dontStop() {
          while(true) {
 
          }
      }
      public void stackLeakByThread() {
           while(true) {
                Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                      @Override
                      public void run() {
                          dontStop();
                      }
                });
                thread.start();
           }
      }
 
     public static void main(String[] args) {
          Test test = new Test();
          test.stackLeakByThread();
     }
}

以上代码运行电脑可能会崩，记得保存所有工作~~

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