JVM介绍及结构

1. 什么是JVM？

JVM指的是Java虚拟机，本质上是一个运行在计算机上的程序，负责运行Java字节码文件。充当一个适配器的角色，以实现Java跨平台的特性。

1.1 JVM的功能

• 解释执行字节码指令
• 管理内存中对象的分配，完成自动的垃圾回收
• 优化热点代码以提升效率(JIT)

1.2 JVM的组成

总体分为，类加载子系统、运行时数据区、执行引擎、本地方法接口四部分。如图：

2. 运行时数据区组成

运行时数据区指的是JVM所管理的内存区域。按照是否线程共享分类，分为两类：

• 线程共享： 方法区、堆
• 线程不共享： 本地方法栈、虚拟机栈、程序计数器

如下图所示：

2.1 程序计数器（Program Counter Register）

也叫PC寄存器，每个线程通过PC来记录当前要执行的字节码地址。主要作用有两个：

• 用于控制程序指令的进行，实现分支、跳转、异常等逻辑；
• 多线程下，JVM通过PC记录线程切换钱执行到哪一句指令，并继续解释执行。

2.2 虚拟机栈

数据结构如其名，采用栈结构来管理方法调用中的基本数据，每个方法调用采用一个栈帧来保存。每个线程都会包含自己的虚拟机栈。因此，生命周期和其所属的线程相同。

其中，栈帧包含以下几个部分：

1. 局部变量表，即在方法执行过程中所存放的局部变量；
2. 操作数栈，JVM在执行指令过程中用来存放临时数据的区域；
3. 帧数据，包含动态链接、方法出口、异常表等内容。

备注：

• 动态链接： 方法中要用到其他类的属性和方法，这些内容在字节码中以编号保存，运行过程中会将其替换成内存中的地址。这个编号到内存的映射关系就保存在动态链接中。
• 方法出口：方法调用完需要弹出栈帧，回到上一个方法，朝旭计数器切换到上一个方法地址继续进行，方法出口保存的就是这个地址；
• 异常表：存放的时代码中的异常处理信息，包含异常捕获的生肖范围以及异常发生后的跳转的字节码指令位置。

2.3 本地方法栈

^fad115

本地方法栈是用于存储调用Native本地方法的栈帧。在Hotspot虚拟机中，虚拟机栈和本地方法栈使用的是同一块栈空间。本地方法会在占内存上生成一个栈帧，用于临时保存方法的参数，同时也方便出现异常时能够把本地方法栈信息也打印出来。

2.4 堆（Heap）

堆位JVM中空间最大的一块内存区域，创建出来的对象都存在堆上，且线程共享。因此堆也是垃圾回收的重点区域。

栈上的局部变量表中，可以存放堆上对象的引用。静态变量也可以存放堆对象的引用，通过静态变量可以实现对象在线程之间的共享。

2.5 方法区

方法区作用时存放一些基础信息，包括：

1. 每个加载的累的原信息（基础信息）；
2. 运行时常量池，保存字节码文件中的常量池内容，避免重复创建，减少内存的开销；
3. 字符串常量池，存储字符串常量。

方法区市Java虚拟机规范提出的一个概念，在HotSpot不同版本中会用永久带或者元空间来实现。

关于字符串常量池：

• JDK1.7之前，运行时常量池（字符串常量池也在里边）是存放在方法区，此时方法区的实现是永久带。
• JDK1.7字符串常量池被单独从方法区移到堆中，运行时常量池剩下的还在永久带（方法区）
• JDK1.8，永久带更名为元空间（方法区的新的实现），但字符串常量池池还在堆中，运行时常量池在元空间（方法区）。

2.6 直接内存

直接内存有操作系统直接管理，不属于Java运行时内存区域。是在JDK1.4之后，引入的NIO机制使用，主要是为了提升读写数据性能。