JVM,Java虛擬機基礎知識新手入門教程(超級通熟易懂)


 

一.寫在前面

  首先,本篇文章並沒有涉及原理,而是在筆者擼了《深入理解Java虛擬機》好幾遍的基礎上講解自己的經驗,從一個新手到現在明白JVM是個什么玩意,怎么去理解和明白,講解這樣一個經驗而已。這篇文章並對JVM並沒有挖掘得很深,在下目前暫時也沒有這個能力,只是以通熟易懂的方式,讓讀者理解JVM是個什么玩意。下面開始我的講解。

二.誰說人神不得相愛——Java的跨平台

  理解Java的跨平台特性,是對JVM最直觀的認識。所謂的“一次編譯,到處運行”,為什么C/C++ 卻不能實現呢?這一類語言直接使用物理硬件(或者說操作系統的內存模型),那么不同系統之間的內存模型是不同的,比如說Linux和Window,這就意味,在Window編譯好的代碼,卻不能在Linux上運行。《深入理解Java虛擬機》記錄說,Java虛擬機規范中試圖定義一種Java內存模型(JMM)來屏蔽掉各種硬件和操作系統的內存訪問差異,以實現讓Java程序在各種平台上都能達到一致性的並發效果。舉個現實的例子,一個只會聽說中文的人,要如何和一個只會聽說英文的人交流,在Java的世界里,采用的方式即是給兩邊的人各配一名翻譯官(JVM),所以,這就是為什么JVM要有window版本,也要有Linux版本。

  眾所周知,Java的程序編譯的最終樣子是.class文件,不同虛擬機的對每一個.class文件的翻譯結果都是一致的。而對於C/C++而言,編譯生成的是純二進制的機器指令,是直接面對計算機系統的內存,但是,java程序的編譯結果是面向JVM,是要交付給JVM,讓他再做進一步處理從而讓計算機識別運行,這就是所謂的“屏蔽掉各種硬件和操作系統的內存訪問差異”。這里的特點又和面向對象推崇的面向接口有着不可描述的關系,我只需要有這么個規范,不需要去知道接觸你的底層原理實現。

三.活在夢里的真實——虛擬機

  JVM,全稱Java Virtual Machine,英文為Java虛擬機,簡單的探討一下虛擬機這三個字,對后面的學習也是挺舒服的。百度百科描述說,“虛擬機(Virtual Machine)指通過軟件模擬的具有完整硬件系統功能的、運行在一個完全隔離環境中的完整計算機系統”,但是虛擬機本質還是該計算機系統的一個進程,可以類比香港澳門具有高度自治,但本質上他們還是屬於中國的。為了方便描述,我們把整個計算機當成一幢大樓,而虛擬機則是某一個樓層。大樓划分了一個區域給一個樓層,讓這個樓層自己管理自己,也就對應着,計算機划分了一個內存給JVM,讓JVM自己管理自己。下面這張圖是筆者的阿里雲服務器上的內存使用情況,可以看到JVM足足占用了接近500M的內存。那么問題來了,JVM要這么多的內存干什么,這里面又是怎么划分?

四.你來到我的世界里——內存

  在現階段無論什么編程語言,都是由人類設計發明的,編程語言對於人類來講,是方便自己實現目的的工具之一,所以,編程語言看似是全新的東西,但是這里面處處都可以看見人類思想的影子,都可以從現實中找到相似的例子。

  接着上面的例子,JVM是作為某一個樓層,單獨占有了一大塊區域(內存)。這個樓層中,有主廳,客廳,客房,這四個之間的區別之一就行,主廳和客廳是公有的,而主房和客房是私有的,這里對應到JVM層次上即是,有某幾塊內存,是無論是誰訪問,有多少人(線程)訪問,這些共有區域都可以為他們服務,而客房,私有區域,假定我們這個樓層比較牛逼,來了多少個客人,就會單獨為他們建造每一件客房,每個客人都有自己私有區域,A客人是進不了B客人的房間。

  對應的JVM的層次,即是JVM運行時數據區域划分為兩大塊,線程隔離的區域和線程共享的區域。我們可以簡單的理解為,每個客人即是一條線程。具體對應的區域又是如何划分的,又有什么作用,這里只能從概念上理解和記憶了,傳送門在此輕松認識JVM運行時數據區域

五.離開我,卻沒有帶走你的痕跡——什么是垃圾

  回想起小時候,很多小伙伴都會一起結伴過來我家玩耍,雖然大家玩得很開心,等到了時間點之后,他們就拍拍屁股走人,留下我家里一片狼藉,這個時候如果我不收拾一下垃圾的話,我老媽估計就要來拍拍我的屁股了。客人(線程)同樣如此,我來過你的世界,總會留下屬於我的痕跡,是不是垃圾,就要看你自己如何判定了。這里就引出另一個問題,我怎么判斷是哪個才是垃圾,哪個不是垃圾,只不過是玩耍的時候,我或者小伙伴隨手把老媽的戒指扔到地上而已。站在人類的視角上看,一眼就知道哪個是垃圾,哪個不是垃圾,但是計算機可不是這樣,計算機有些時候確實不如人類,明明人類一眼或者幾秒能完成的事情,要讓計算機同樣能夠完成對應的功能的話,需要付出千萬倍的代價才能夠實現。

   筆者的老媽在家里收拾垃圾的時候,為了確保扔掉的東西是垃圾,她會將這個東西,一個一個問家里的每個人,這個東西是不是你的,你還要不要,當沒有一個人承認說這個東西是屬於他的時候,老媽就將這個東西視為垃圾,當有人說這個不是垃圾,是他的寶貝的時候,我老媽就這個東西標記一下。JVM采用的是類似的做法,每個對象到GC ROOT都有一定的聯系和路徑可達,當某個對象,對於GC ROOT不可達(即沒有人說這個東西是屬於他的)的對象,JVM則判定為垃圾。JVM里稱此行為是可達性分析

  finalize的作用:假設一個本子已經被老媽認定為垃圾了,但老媽在扔掉垃圾的時候必須先經過一個程序,即finalize,假如在這個程序過程中,我突然想起這個本子對我還是有用的,那么這個本子就不會被認定為垃圾,從而繼續保留在內存中。

 

六. 我要怎樣忘了你是誰——垃圾回收算法

  知道什么是垃圾,找到了垃圾的位置,接下來的問題是我要怎么處理這個垃圾,即垃圾回收。我要怎樣忘了你是誰,關鍵是要怎么字,這個動作是怎么發生的。

  標記清除:在這個樓層中,垃圾四處都有,甚至散亂在非垃圾之間或者周圍,即然我老媽已經給有用的東西做個標志,那么這就意味着我老媽只需要清除那些沒有標識的東西。標記清除的做法形象成就是我老媽拿着垃圾桶,從頭到尾,看到垃圾就把他扔到垃圾桶里面。這種做法無疑是最簡單的,但是帶來的后果也是很明顯的,空間碎片太多。這里的空間碎片又要做如何理解,每個物品(每個對象)都是需要占據着一定的的面積(即內存),他要站住腳跟嘛,但是如果空間碎片的太多,就會導致大的物品來臨的時候,區域(內存)不夠用,就會再次引發垃圾回收(意味着你打游戲的時候可能要停頓個幾秒)。再舉個現實中的例子,打包行李箱的時候,隨隨便便,散亂的放置東西,行李廂很容易被撐滿,這個時候你還想放一雙鞋進去,你會發現空間不夠用,只能把所以東西都倒出來,整整齊齊的,從上到下從左到右的放置物品。對於空間的利用率,整齊的做法比散亂無章的行為更來得高,這就引出了另外一個做法,標記整理算法。

  標記整理:你見過有誰掃地的時候,看到垃圾就直接把掃到掃帚了里面,看到就掃。不存在的!人是有惰性的,所有總會找到更高效的做法,更習慣的做法是將垃圾掃到一起,再統一將其扔到垃圾桶中。

  復制:這個算法就有點奢侈了,不管這個內存里有多少垃圾,我老媽都統一將他們扔掉,然后重新再買一次那些我們還需要用的物品,俗稱復制。因此,如果存活對象太多,這個算法是不適合的(想想就知道了-.-),其二,JVM里面需要將可用內存分為兩半,一半供目前使用,一半供復制后的對象使用。

  未完待續……

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