一、JVM（Java Virtual Machine）基础知识
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。
1、java程序的运行过程
java文件通过javac命令编译成.class字节码文件，然后JVM将其加载到方法区（jdk7以及之前叫永久代，jdk8叫元空间），JVM执行引擎会将字节码翻译成机器码，操作系统执行机器码。
过程：Java 文件->字节码->机器码
2、JVM、JRE、JDK
- JVM：JVM可以理解成一个虚拟化的操作系统，翻译工具，把class字节码文件翻译成机器识别的代码。JVM不会自己生成代码，同时需要很多依赖类库，这个时候就需要JRE了
- JRE：除了包含JVM外，还有JavaAPI类库（就是我们常用的jar包）。JVM+基础类库就组成了Java的运行环境，即JRE(Java Runtime Environment)
- JDK：包含JRE，但是我们写完要编译代码，调试代码，打包代码，有时候还要反编译代码。所以我们会用到JDK，JDK还给我们提供了javac，jar，java，javap等。
JVM的作用：从软件层面屏蔽不同操作系统在底层硬件和指令的不同。即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，把class字节码翻译成操作系统识别的机器码。
3、JVM特性
- JVM的跨平台性---JVM可以装在很多操作系统上，windows，linux，unix，andriod，mac等OS）
- JVM的语言无关性---JVM只识别class字节码，所以和语言是解耦的，支持java，scala，kotlin，groovy等语言。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的知识体系
- 内存结构
- 垃圾回收
- 性能调优
- JVM自身优化技术
- 执行引擎
- 监控工具
- 类文件结构
- 类加载
所有的知识体系中，都或多或少跟内存结构有一定的关系，所以内存结构处于 JVM 中核心位置。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 JVM 的内存区域。
二、JVM的内存区域
内存划分
1、大类划分：运行时数据区（被虚拟化的内存）和直接内存
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需要的内存划分为若干不同的数据区域
直接内存：未被虚拟机虚拟化的内存
2、运行时数据区划分：线程私有和线程共享
线程共享：堆、方法区
线程私有：虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器
3、直接内存：
虽然不是运行时数据区的一部分，但也是会频繁使用。可以理解成还没有被虚拟化的操作系统的上的其他内存。jvm借助一些其他工具可以使用这块内存。可以看一下unsafe类，这个类可以直接操作未虚拟化的内存，NIO中的DirectByteBuffer等
三、虚拟机栈和java方法的运行
线程私有内存，生命周期与线程一样。
虚拟机栈存储当前线程运行java方法所需的数据、指令、返回地址。
虚拟机栈描述的是java方法执行的内存模型，每一个方法在执行的同时都会打包成一个栈帧（Stack Frame）压入虚拟栈。栈帧包含，局部变量表，操作数栈，动态链接，完成出口（返回地址）等信息。每一个方法从调用至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
比如方法调用方法。main方法-->A方法-->B方法-->C方法
public class MethodAndStack {
public static void main(String[] args) {
A();
}
public static void A(){
B();
}
public static void B(){
C();
}
public static void C(){
}
}入栈示意图，如下
C 方法运行完了，C 方法出栈，接着 B 方法运行完了，B 方法出栈、接着 A 方法运行完了，A 方法出栈，最后 main 方法运行完了，main 方法这个栈帧就出栈了。
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。
总结：
栈的数据结构：先进先出（FILO）的数据结构
虚拟机栈的作用：在JVM运行的过程中存储当前线程运行JAVA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，栈的生命周期和线程一样的。
虚拟机栈的大小默认为1M，取决于是哪个操作系统的虚拟机，可用参数 -Xss调整大小。如：-Xss1M
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)
1、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）。存放编译期可知的 Java 八大基础数据类型数据、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，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对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）
其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量表空间（Slot）,其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时就确定了。
局部变量表的第一个位置默认是this引用，static方法不存储。
一句话，存储方法的变量，基础数据类型和对象的引用。
2、操作数栈：
存放 java 方法执行时执行引擎的操作数（字节码指令），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，操作的元素可以是任意的 java 数据类型。所以一个方法刚刚开始的时候，这个方法的操作数栈就是空的。可以把执行引擎看成cpu，把操作数栈看成缓存，把局部变量表看成内存
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，如果代码不执行，操作数栈其实就是空的。
3、动态连接:
Java 语言特性多态（需要执行引擎的知识）
4、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。会抛出Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
如果虚拟机栈只动态扩展的，若果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OurOfMemoryError异常
问：虚拟机栈的构成
答：局部变量表、操作数栈、动态连接、返回地址（完成出口）
问：虚拟栈为什么要放一个操作数栈
答：因为操作引擎只负责执行jvm命令不负责存储，在计算的时候必定有些数据需要存储在操作数栈里。操作数栈有点类似于高速缓存，操作引擎类似cpu。比如在执行1+1操作的时候，class字节码文件反汇编后的三条命令是 iload1，iload2，iadd，然后操作引擎会依次执行iload1压栈一个1，执行iload2压栈一个1，执行iadd弹出操作数栈最上面两个数求和再压入。
对 class 进行反汇编 javap –c XXXX.class
字节码助记码解释地址 https://cloud.tencent.com/developer/article/1333540
四、程序计数器
线程私有内存，指向当前线程正在执行的字节码指令地址，各线程之间独立存储，互不影响。
程序计数器是一块很小的内存空间，主要用来记录各个线程执行的字节码的地址，例如，分支、循环、跳转、异常、线程恢复等都依赖于计数器。由于 Java 是多线程语言，当执行的线程数量超过 CPU 核数时，线程之间会根据时间片轮询争夺 CPU 资源。如果一个线程的时间片用完了，或者是其它原因导致这个线程的 CPU 资源被提前抢夺，那么这个退出的线程就需要单独的一个程序计数器，来记录下一条运行的指令。
因为 JVM 是虚拟机，内部有完整的指令与执行的一套流程，所以在运行 Java 方法的时候需要使用程序计数器（记录字节码执行的地址或行号），如果是遇到本地方法（native 方法），这个方法不是 JVM 来具体执行，所以程序计数器不需要记录了，这个是因为在操作系统层面也有一个程序计数器，这个会记录本地代码的执行的地址，所以在执行 native 方法时，JVM 中程序计数器的值为空(Undefined)。
程序计数器也是 JVM 中唯一不会 OOM(OutOfMemory)的内存区域。
五、本地方法栈
线程私有内存，和虚拟机栈相似，不过是为JVM使用到的本地(Native)方法服务，运行一些本地的方。因为jvm不能直接调用操作系统，但是c和c++可以，本地方法是由C语言实现的(比如 Object.hashcode 方法)。
本地方法栈是和虚拟机栈非常相似的一个区域，它服务的对象是 native 方法。你甚至可以认为虚拟机栈和本地方法栈是同一个区域。虚拟机规范无强制规定，各版本虚拟机自由实现 ，HotSpot 直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一 。
异常：StackOverflowError和OurOfMemoryError
六、方法区
线程共享内存，方法区主要是用来存放已被虚拟机加载的类相关信息，包括类信息，常量，静态变量，即时编译器编译后的代码，运行时常量池，字符串常量池，类加载器引用，方法表等。
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），目的应该和java堆区分开。请注意方法区只是java虚拟机的规范，而具体实现由厂商决定。在JDK1.7及之前的方法区实现称为“永久代”，是因为在HotSpot虚拟机中，设计人员使用堆的永久代来实现了JVM规范的方法区。在JDK1.8及以后使用了元空间来实现方法区，存在于直接内存。元空间存储类的元信息，而静态变量和常量池等并入堆中。
JVM在执行某个类的时候，必须先加载。在加载（加载、验证、准备、解析、初始化）类的时候，JVM会先加载class文件，而在class文件中除了有类的版本、字段、方法和接口等描述信息外，还有一项信息是常量池 (Constant Pool Table，也叫calss文件常量池)，用于存放编译期间生的各种字面量和符号引用。这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。
字面量：包括字符串字面量（String a = "b"，字符串字面量（stringliteral）是指双引号引住的一系列字符）、final修饰的基本类型的常量（成员变量）。字符串字面量还包括所有用到的类名、方法的名字和这些类与方法的字符串描述、字段(成员变量)的名称和描述符
符号引用：包括类和方法的全限定名（例如String这个类，它的全限定名就是Java/Lang/String）、字段的名称和描述符以及方法的名称和描述符。
符号引用
一个 java 类（假设为 People 类）被编译成 class 文件时，如果 People 类引用了 Tool 类，但是在编译时 People 类并不知道引用类的实际内存地址，因此只能使用符号引用来代替。而在类装载器装载 People 类时，此时可以通过JVM获取 Tool 类的实际内存地址，因此便可以既将符号 org.simple.Tool 替换为 Tool 类的实际内存地址，及直接引用地址。
即在编译时用符号引用来代替引用类，在加载时再通过虚拟机获取该引用类的实际地址
以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局是无关的，引用的目标不一定已经加载到内存中。
常量池和运行时常量池
在类加载到内存后，JVM就会将class文件常量池中的内容存放到运行时常量池中；在解析阶段，JVM会把符号引用直接替换为直接引用（对象的索引值）
例如，类中的一个字符串常量在 class 文件中时，存放在 class 文件常量池中的；在 JVM 加载完类之后，JVM 会将这个字符串常量放到运行时常量池中，并在解析阶段，指定该字符串对象的索引值。运行时常量池是全局共享的，多个类共用一个运行时常量池，class 文件常量池多个相同的字符串在运行时常量池只会存在一份。
常量池有很多概念，包括运行时常量池、class 常量池、字符串常量池。
严格来说是静态常量池和运行时常量池。静态常量池是存放字符串字面量、符号引用以及类和方法的信息，而运行时常量池存放的是运行时一些直接引用。字符串常量池jvm没有此定义，只不过是众开发人员定义的。
运行时常量池是在类加载完成之后，将静态常量池中的符号引用值转存到运行时常量池中，类在解析之后，将符号引用替换成直接引用。
运行常量池相对于class文件常量池的另外一个特征是具备动态性，java并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入class文件中常量池的内容才能进入将方法区运行常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，比如String类的inter()方法。
运行时常量池在 JDK1.7 版本之后，就移到堆内存中了，这里指的是物理空间，而逻辑上还是属于方法区（方法区是逻辑分区）。
元空间
方法区与堆空间类似，也是一个共享内存区，所以方法区是线程共享的。假如两个线程都试图访问方法区中的同一个类信息，而这个类还没有装入 JVM，那么此时就只允许一个线程去加载它，另一个线程必须等待。
在 HotSpot 虚拟机，Java7 版本中已经将永久代的静态变量和运行时常量池转移到了堆中，其余部分则存储在 JVM 的非堆内存中，而 Java8 版本已经将方法区中实现的永久代去掉了，并用元空间（class metadata）代替了之前的永久代，并且元空间的存储位置是本地内存，也就是说JDK8版本方法区在直接内存
元空间大小参数：
jdk1.7 及以前（初始和最大值）：-XX:PermSize；-XX:MaxPermSize；
jdk1.8 以后（初始和最大值）：-XX:MetaspaceSize； -XX:MaxMetaspaceSize
j dk1.8 以后大小就只受本机总内存的限制（如果不设置参数的话）
JVM 参数参考：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html
Java8 为什么使用元空间替代永久代，这样做有什么好处呢？
官方给出的解释是：
移除永久代是为了融合 HotSpot JVM 与 JRockit VM 而做出的努力，因为 JRockit 没有永久代，所以不需要配置永久代。
永久代内存经常不够用或发生内存溢出，抛出异常 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen。这是因为在 JDK1.7 版本中，指定的 PermGen 区大小为8M，由于 PermGen 中类的元数据信息在每次 FullGC 的时候都可能被收集，回收率都偏低，成绩很难令人满意；还有为 PermGen 分配多大的空间很难确定，PermSize 的大小依赖于很多因素，比如，JVM 加载的 class 总数、常量池的大小和方法的大小等。
七、堆
线程共享内存，存储实例对象、数组、class对象。
堆是 JVM 上最大的内存区域，我们申请的几乎所有的对象，都是在这里存储的。我们常说的垃圾回收，操作的对象就是堆。
堆空间一般是程序启动时，就申请了，但是并不一定会全部使用。堆一般设置成可伸缩的。
随着对象的频繁创建，堆空间占用的越来越多，就需要不定期的对不再使用的对象进行回收。这个在 Java 中，就叫作 GC（Garbage Collection）。
那一个对象创建的时候，到底是在堆上分配，还是在栈上分配呢？这和两个方面有关：对象的类型和在 Java 类中存在的位置（逃逸分析）。
Java 的对象可以分为基本数据类型和普通对象。
对于普通对象，JVM 会首先在堆上创建对象，然后在其他地方使用的其实是它的引用。比如，把这个引用保存在虚拟机栈的局部变量表中。
对于基本数据类型来说（byte、short、int、long、float、double、char)，有两种情况。
当你在方法体内声明了基本数据类型的对象，它就会在栈上直接分配。其他情况，都是在堆上分配。
堆大小参数：
-Xms：堆的最小值；
-Xmx：堆的最大值；
-Xmn：新生代的大小；
-XX:NewSize；新生代最小值；
-XX:MaxNewSize：新生代最大值；
例如- Xmx256m
所有的对象都在堆上存放并不是绝对的，因为逃逸分析技术成熟虚拟机栈上可以存放对象。
八、直接内存（堆外内存）
直接内存有一种更加科学的叫法，堆外内存。
JVM 在运行时，会从操作系统申请大块的堆内存，进行数据的存储；同时还有虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器，这块称之为栈区。操作系统剩余的内存也就是堆外内存。
它不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是 java 虚拟机规范中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁的使用，而且也有可能导致oom
NIO（New Input/Ouput）类,引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配对外内存，然后通过一个存储在java堆中的DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作；
这块内存不受 java 堆大小限制，但受本机总内存的限制，可以通过-XX:MaxDirectMemorySize 来设置（默认与堆内存最大值一样），所以也会出现 OOM 异常。
小结：
1、直接内存主要是通过 DirectByteBuffer 申请的内存，可以使用参数“MaxDirectMemorySize”来限制它的大小。
2、其他堆外内存，主要是指使用了 Unsafe 或者其他 JNI 手段直接直接申请的内存。
堆外内存的泄漏是非常严重的，它的排查难度高、影响大，甚至会造成主机的死亡。
同时，要注意 Oracle 之前计划在 Java 9 中去掉 sun.misc.Unsafe API。这里删除 sun.misc.Unsafe 的原因之一是使 Java 更加安全，并且有替代方案。
3、java文件经过工具javac编译成class字节码文件，虚拟机识别class文件，再编译成机器码
4、JVM特性：跨平台，语言无关性
5、虚拟机是一个规范
6、javap -c Persion.class 反汇编查看字节码
7、javap -v Persion.class 查看字节码结构
8、栈帧里面的局部变量表的第一个this指的是哪个类的引用
9、动态连接是java语言多态动态的特性
10、native关键字的方法不是在java实现的是在c或者c++ ，是在本地方法栈执行的，可见java是可以直接调用c或者c++。 因为c或者c++可以直接调用操作系统，java不可以。
