JVM虚拟机
java虚拟机(java virtual machine，JVM)，一种能够运行java字节码的虚拟机。作为一种编程语言的虚拟机，实际上不只是专用于Java语言，只要生成的编译文件匹配JVM对加载编译文件格式要求，任何语言都可以由JVM编译运行。比如kotlin、scala等。
JVM的基本结构
JVM由三个主要的子系统构成
- 类加载子系统
- 运行时数据区（内存结构）
- 执行引擎
类加载机制
类的生命周期
一个java类的完整的生命周期会经历加载、连接、初始化、使用、和卸载五个阶段，当然也有在加载或者连接之后没有被初始化就直接被使用的情况，如图所示：
1.加载
找到需要加载的类并把类的信息加载到jvm的方法区中，然后在堆区中实例化一个java.lang.Class对象，作为方法区中这个类的信息的入口。
类的加载方式：
- 根据类的全路径名找到相应的class文件，然后从class文件中读取文件内容；
- 从jar文件中读取；
- 从网络中获取：比如10年前十分流行的Applet。
- 根据一定的规则实时生成，比如设计模式中的动态代理模式，就是根据相应的类自动生成它的代理类。
2.连接
2.1 验证
验证字节码文件的正确性，保证加载的类是能够被jvm所运行。
2.2 准备
给类的静态变量分配内存，并赋予默认值；
- 基本类型（int、long、short、char、byte、boolean、float、double）的默认值为0。
- 引用类型的默认值为null。
- 常量的默认值为我们程序中设定的值，比如我们在程序中定义final static int a = 100，则准备阶段中a的初值就是100。
2.3 解析
把常量池中的符号引用转换为直接引用。在解析阶段，jvm会将所有的类或接口名、字段名、方法名转换为具体的内存地址。连接阶段完成之后会根据使用的情况（直接引用还是被动引用）来选择是否对类进行初始化。
3.初始化
如果一个类被直接引用，就会触发类的初始化。初始化阶段是执行类构造器 < clinit > 方法的过程。
类构造器方法有如下特点：
- 保证父类的 < clinit > 方法执行完毕，再执行子类的 < clinit > 方法。
- 由于父类的 < clinit > 方法先执行，所以父类的静态代码块也优于子类执行。
- 如果类中没有静态代码块，也没有为变量赋值，则可以不生成 < clinit > 方法。
- 执行接口的 < clinit > 方法时，不需要先执行父接口的 < clinit > 方法。只有父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也不执行接口的 < clinit > 方法。
- 虚拟机会保证在多线程环境下 < clinit > 方法能被正确的加锁、同步。如果有多个线程同时请求加载一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的 < clinit > 方法，其他线程都会阻塞，直到方法执行完毕。同时，其他线程也不会再去执行 < clinit > 方法了。这就保证了同一个类加载器下，一个类只会初始化一次。（这也是为什么说饿汉式单例模式是线程安全的，因为类只会加载一次。）
在java中，直接引用的情况有：
- 通过new关键字实例化对象、读取或设置类的静态变量、调用类的静态方法。
- 初始化子类的时候，会触发父类的初始化。
- 作为程序入口直接运行时（也就是直接调用main方法）。
- 通过反射方式执行以上三种行为。
初始化顺序：
对于静态变量、静态初始化块、变量、初始化块、构造器，它们的初始化顺序依次是（静态变量、静态初始化块）>（变量、初始化块）>构造器。
?在类的初始化阶段，只会初始化与类相关的静态赋值语句和静态语句，也就是有static关键字修饰的信息，而没有static修饰的赋值语句和执行语句在实例化对象的时候才会运行。
?被动引用：
- 引用父类的静态字段，只会引起父类的初始化，而不会引起子类的初始化。
- 定义类数组，不会引起类的初始化。
- 引用类的常量，不会引起类的初始化。
4.使用
5.卸载
在类使用完之后，如果满足下面的情况，类就会被卸载：
- 该类所有的实例都已经被回收，也就是java堆中不存在该类的任何实例。
- 加载该类的ClassLoader已经被回收。
- 该类对应的java.lang.Class对象没有任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。
类加载器的种类
- 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)
- 负责加载JRE的核心类库，如JRE目标下的rt.jar，charsets.jar等
- 扩展类加载器(Extension ClassLoader)
- 负责加载JRE扩展目录ext中jar类包
- 系统类加载器(Application ClassLoader)
- 负责加载ClassPath路径下的类包
- 用户自定义加载器(User ClassLoader)
- 负责加载用户自定义路径下的类包
类加载机制
全盘负责委托机制
当一个ClassLoader加载一个类的时候，除非显示的使用另一个ClassLoader，该类所依赖和引用的类也由这个ClassLoader载入
双亲委派机制
指先委托父类加载器寻找目标类，在找不到的情况下载自己的路径中查找并载入目标类
双亲委派模式的优势
- 沙箱安全机制：比如自己写的String.class类不会被加载，这样可以防止核心库被随意篡改
- 避免类的重复加载：当父ClassLoader已经加载了该类的时候，就不需要子ClassLoader再加载一次
运行时数据区（内存结构）
1.方法区（Method Area）
类的所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在这里定义。简单来说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，静态变量+常量+类信息（构造方法/接口定义）+运行时常量池都存在方法区中，虽然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做Non-Heap（非堆），目的应该是为了和Java的堆区分开(jdk1.8以前hotspot虚拟机叫永久代、持久代，jdk1.8时叫元空间)
2.堆（Heap）
虚拟机启动时自动分配创建，用于存放对象的实例，几乎所有对象都在堆上分配内存，当对象无法在该空间申请到内存是将抛出OutOfMemoryError异常。同时也是垃圾收集器管理的主要区域。
2.1 新生代（Young Generation）
类出生、成长、消亡的区域，一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，
结束生命。
新生代分为两部分：伊甸区（Eden space）和幸存者区（Survivor space），所有的类都是在伊甸区被new出来的。幸存区又分为From和To区。当Eden区的空间用完是，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将Eden区进行垃圾回收（Minor GC），将Eden区中的不再被其它对象应用的对象进行销毁。然后将Eden区中剩余的对象移到From Survivor区。若From Survivor区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到To Survivor区。
2.2 老年代（Old Generation）
新生代经过多次GC仍然存货的对象移动到老年区。若老年代也满了，这时候将发生Major GC（也可以叫Full GC），进行老年区的内存清理。若老年区执行了Full GC之后发现依然无法进行对象的保存，就会抛出OOM（OutOfMemoryError）异常
2.3 元空间（Meta Space）
在JDK1.8之后，元空间替代了永久代，它是对JVM规范中方法区的实现，区别在于元数据区不在虚拟机当中，而是用的本地内存，永久代在虚拟机当中，永久代逻辑结构上也属于堆，但是物理上不属于。
为什么移除了永久代？
参考官方解释http://openjdk.java.net/jeps/122
大概意思是移除永久代是为融合HotSpot与 JRockit而做出的努力，因为JRockit没有永久代，不需要配置永久代。
3.栈(Stack)
Java线程执行方法的内存模型，一个线程对应一个栈，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息）不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就释放，生命周期和线程一致
4.本地方法栈(Native Method Stack)
和栈作用很相似，区别不过是Java栈为JVM执行Java方法服务，而本地方法栈为JVM执行native方法服务。登记native方法，在Execution Engine执行时加载本地方法库
5.程序计数器(Program Counter Register)
就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（用来存储指向吓一跳指令的地址，也即将要执行的指令代码），由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不计