當(dāng)我們第一次學(xué)習(xí)Java時(shí)這些原理上的東西就會被提到，但是很少有真正去學(xué)習(xí)。今天開始從頭過一遍Java，打算從JVM開始。
3.1. 程序計(jì)數(shù)器(PC, Program Counter)
3.2. Java虛擬機(jī)棧(Stack，Java Virtual Mechine Stacks)
3.4. Java 堆(Heap, Garbage Collection Heap)
3.8. 運(yùn)行時(shí)常量池(Run-Time Constant Pool)
1. JVM是什么
JVM是Java Virtual Mechine的縮寫。它是一種基于計(jì)算設(shè)備的規(guī)范，是一臺虛擬機(jī)，即虛構(gòu)的計(jì)算機(jī)。
JVM屏蔽了具體操作系統(tǒng)平臺的信息（顯然，就像是我們在電腦上開了個(gè)虛擬機(jī)一樣），當(dāng)然，JVM執(zhí)行字節(jié)碼時(shí)實(shí)際上還是要解釋成具體操作平臺的機(jī)器指令的。
通過JVM，Java實(shí)現(xiàn)了平臺無關(guān)性，Java語言在不同平臺運(yùn)行時(shí)不需要重新編譯，只需要在該平臺上部署JVM就可以了。因而能實(shí)現(xiàn)一次編譯多處運(yùn)行。(就像是你的虛擬機(jī)也可以在任何安了VMWare的系統(tǒng)上運(yùn)行)
2. JRE和JDK
JRE：Java Runtime Environment，也就是JVM的運(yùn)行平臺，聯(lián)系平時(shí)用的虛擬機(jī)，大概可以理解成JRE=虛擬機(jī)平臺+虛擬機(jī)本體(JVM)。類似于你電腦上的VMWare+適用于VMWare的Ubuntu虛擬機(jī)。這樣我們也就明白了JVM到底是個(gè)什么。
JDK：Java Develop Kit，Java的開發(fā)工具包，JDK本體也是Java程序，因此運(yùn)行依賴于JRE,由于需要保持JDK的獨(dú)立性與完整性，JDK的安裝目錄下通常也附有JRE。目前Oracle提供的Windows下的JDK安裝工具會同時(shí)安裝一個(gè)正常的JRE和隸屬于JDK目錄下的JRE。
3. JVM結(jié)構(gòu)
JVM主要包括：程序計(jì)數(shù)器(Program Counter)，Java堆(Heap)，Java虛擬機(jī)棧(Stack)，本地方法棧(Native Stack)，方法區(qū)(Method Area)
詳細(xì)的結(jié)構(gòu)如下：
現(xiàn)在我來分別介紹一下每一部分的功能。
3.1. 程序計(jì)數(shù)器(PC, Program Counter)
是一個(gè)寄存器，可以看作是代碼行號指示器，類似于實(shí)際計(jì)算機(jī)里的PC，用于指示，跳轉(zhuǎn)下一條需要執(zhí)行的命令。Java的基礎(chǔ)操作以及異常處理等都十分依賴PC。
JVM多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來實(shí)現(xiàn)的。在一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器（或者說多核處理器的一個(gè)內(nèi)核）只會執(zhí)行一條線程中的命令。因此，為了正常的切換線程，每個(gè)線程都會有一個(gè)獨(dú)立的PC，各線程的PC不會互相影響。這個(gè)私有的PC所占的這塊內(nèi)存即是線程的“私有內(nèi)存”。
如果線程在執(zhí)行的是Java方法，那么PC記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址。如果正在執(zhí)行的不是Java方法即Native方法，那么PC的值為undefined。
PC的內(nèi)存區(qū)域是唯一的沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError的Java虛擬機(jī)規(guī)范中的區(qū)域。
3.2. Java虛擬機(jī)棧(Stack，Java Virtual Mechine Stacks)
同PC一樣(從工作流程圖里我們可以看到，實(shí)際上，PC也是存在于JVM Stack上的)，也是線程私有的，生命周期與線程相同。虛擬機(jī)棧描述Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，每個(gè)方法被執(zhí)行時(shí)都會創(chuàng)建一個(gè)棧幀(Stack Frame)，棧幀會利用局部變量數(shù)組存儲局部變量(Local Variables)，操作棧(Operand Stack)，方法出口(Return Value)，動態(tài)連接(Current Class Constant Pool Reference)等信息。
局部變量數(shù)組存儲了編譯可知的八個(gè)基本類型(int, boolean, char, short, byte, long, float, double)，對象引用(根據(jù)不同的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)可能是引用地址的指針或者一個(gè)handle)，returnAddress類型。64位的long和double會占用兩個(gè)Slot，其余類型會占用一個(gè)Slot。在編譯期間，局部變量所需的空間就會完成分配，動態(tài)運(yùn)行期間不會改變所需的空間。
操作棧在執(zhí)行字節(jié)碼指令時(shí)會被用到，這種方式類似于原生的CPU寄存器，大部分JVM把時(shí)間花費(fèi)在操作棧的花費(fèi)上，操作棧和局部變量數(shù)組會頻繁的交換數(shù)據(jù)。
動態(tài)連接控制著運(yùn)行時(shí)常量池和棧幀的連接。所有方法和類的引用都會被當(dāng)作符號的引用存在常量池中。符號引用是實(shí)際上并不指向物理內(nèi)存地址的邏輯引用。JVM 可以選擇符號引用解析的時(shí)機(jī)，一種是當(dāng)類文件加載并校驗(yàn)通過后，這種解析方式被稱為饑餓方式。另外一種是符號引用在第一次使用的時(shí)候被解析，這種解析方式稱為惰性方式。無論如何 ，JVM 必須要在第一次使用符號引用時(shí)完成解析并拋出可能發(fā)生的解析錯(cuò)誤。綁定是將對象域、方法、類的符號引用替換為直接引用的過程。綁定只會發(fā)生一次。一旦綁定，符號引用會被完全替換。如果一個(gè)類的符號引用還沒有被解析，那么就會載入這個(gè)類。每個(gè)直接引用都被存儲為相對于存儲結(jié)構(gòu)（與運(yùn)行時(shí)變量或方法的位置相關(guān)聯(lián)的）偏移量。
對Java虛擬機(jī)棧這個(gè)區(qū)域，Java虛擬機(jī)規(guī)范規(guī)定了兩種異常：
線程請求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，拋出StackOverFlow異常。
對于支持動態(tài)擴(kuò)展的虛擬機(jī)，當(dāng)擴(kuò)展無法申請到足夠的內(nèi)存時(shí)會拋出OutOfMemory異常。
3.3. 本地方法棧(Native Stack)
本地方法棧如其名字，和Java Virtual Machine Stack其實(shí)極為類似，只是執(zhí)行的是Native方法，為Native方法服務(wù)。在JVM規(guī)范中，沒有對它的實(shí)現(xiàn)做具體規(guī)定。
3.4. Java 堆(Heap, Garbage Collection Heap)
Java堆是被所有線程共享的一塊區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動時(shí)創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對象實(shí)例，幾乎所有的對象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存(隨著技術(shù)的發(fā)展，已不絕對)。
Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因而也被稱為GC堆。收集器采用分代回收法，GC堆可以分為新生代(Yong Generation)和老生代(Old Generation)。新生代包括Eden Space和Survivor Space。但無論哪個(gè)區(qū)域，如何劃分，存儲的都是Java對象實(shí)例，進(jìn)一步的劃分是為了更好的回收內(nèi)存或快速的分配內(nèi)存。
根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范，堆所在的物理內(nèi)存區(qū)間可以是不連續(xù)的，只要邏輯連續(xù)就可以。實(shí)現(xiàn)時(shí)既可以是固定大小，也可以是可擴(kuò)展的。如果堆無法擴(kuò)展時(shí)，就會拋出OutOfMemoryError。
3.5. 方法區(qū)(Method Area)
方法區(qū)和Java堆類似，也屬于各線程共享的內(nèi)存區(qū)域。用于存儲已被虛擬機(jī)加載的類信息，常量，靜態(tài)變量，即時(shí)編譯器編譯后的代碼數(shù)據(jù)等。它屬于非堆區(qū)(Non Heap)，和Java堆區(qū)分開。對于存在永久代(Permanent)概念的虛擬機(jī)(HotSpot)而言，方法區(qū)存在于永久代。Java虛擬機(jī)規(guī)范對方法區(qū)的規(guī)定很寬松，甚至可以不實(shí)現(xiàn)GC。不過并非進(jìn)入方法區(qū)的數(shù)據(jù)就會永久存在了，這塊區(qū)域的內(nèi)存回收主要為常量池的回收和類型的卸載。這個(gè)區(qū)域的回收處理不善也會導(dǎo)致嚴(yán)重的內(nèi)存泄漏。
當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)也會拋出OutOfMemoryError。
3.6. 代碼緩存(Code Cache)
用于編譯和存儲那些被 JIT 編譯器編譯成原生代碼的方法。
3.7. 類信息(Class Data)
類信息存儲在方法區(qū)，其主要構(gòu)成為運(yùn)行時(shí)常量池(Run-Time Constant Pool)和方法(Method Code)。
一個(gè)編譯后的類文件包括以下結(jié)構(gòu)：
結(jié)構(gòu)解釋
magic, minor_version, major_version類文件的版本信息和用于編譯這個(gè)類的 JDK 版本。
constant_pool類似于符號表，盡管它包含更多數(shù)據(jù)。下面有更多的詳細(xì)描述。
access_flags提供這個(gè)類的描述符列表。
this_class提供這個(gè)類全名的常量池(constant_pool)索引，比如org/jamesdbloom/foo/Bar。
super_class提供這個(gè)類的父類符號引用的常量池索引。
interfaces指向常量池的索引數(shù)組，提供那些被實(shí)現(xiàn)的接口的符號引用。
fields提供每個(gè)字段完整描述的常量池索引數(shù)組。
methods指向constant_pool的索引數(shù)組，用于表示每個(gè)方法簽名的完整描述。如果這個(gè)方法不是抽象方法也不是 native 方法，那么就會顯示這個(gè)函數(shù)的字節(jié)碼。
attributes不同值的數(shù)組，表示這個(gè)類的附加信息，包括 RetentionPolicy.CLASS 和 RetentionPolicy.RUNTIME 注解。
3.8. 運(yùn)行時(shí)常量池(Run-Time Constant Pool)
運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分。Class文件中有類的版本，字段，方法，接口等描述信息和用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用。這部分內(nèi)容將在類加載后存放到方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中。Java虛擬機(jī)規(guī)范對Class的細(xì)節(jié)有著嚴(yán)苛的要求而對運(yùn)行時(shí)常量池的實(shí)現(xiàn)不做要求。一般來說除了翻譯的Class,翻譯出來的直接引用也會存在運(yùn)行時(shí)常量池中。
運(yùn)行時(shí)常量池具備動態(tài)性，即運(yùn)行時(shí)也可將新的常量放入池中。比如String類的intern()方法。
常量池?zé)o法申請到足夠的內(nèi)存分配時(shí)也會拋出OutOfMemoryError。
3.9. 直接內(nèi)存(Direct Memory)
直接內(nèi)存并不在Java虛擬機(jī)規(guī)范中，不是Java的一部分，但是也被頻繁使用并可能導(dǎo)致OutOfMemoryError。Native函數(shù)庫可以直接分配堆外內(nèi)存，通過存儲在Java堆里的DirectDataBuffer對象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作。這樣做在一些場景中可以顯著提高性能。
直接內(nèi)存是堆外內(nèi)存，自然不受Java堆大小的限制，但是可能受實(shí)體機(jī)內(nèi)存大小的限制。如果內(nèi)存各部分總和大于實(shí)體機(jī)的內(nèi)存時(shí)，也會報(bào)出OutOfMemoryError。
4. Java垃圾回收
將內(nèi)存中不再被使用的對象進(jìn)行回收，GC中用于回收的方法稱為收集器，由于GC需要消耗一些資源和時(shí)間，Java在對對象的生命周期特征進(jìn)行分析后，按照新生代、舊生代的方式來對對象進(jìn)行收集，以盡可能的縮短GC對應(yīng)用造成的暫停。
不同的對象引用類型， GC會采用不同的方法進(jìn)行回收，JVM對象的引用分為了四種類型：
強(qiáng)引用：默認(rèn)情況下，對象采用的均為強(qiáng)引用（這個(gè)對象的實(shí)例沒有其他對象引用，GC時(shí)才會被回收）。
軟引用：軟引用是Java中提供的一種比較適合于緩存場景的應(yīng)用（只有在內(nèi)存不夠用的情況下才會被GC）。
弱引用：在GC時(shí)一定會被GC回收。
虛引用：由于虛引用只是用來得知對象是否被GC。
5. JVM線程與原生線程的關(guān)系
JVM允許一個(gè)程序使用多個(gè)并發(fā)線程，Hotspot JVM中Java的線程與原生操作系統(tǒng)的線程是直接映射關(guān)系。即當(dāng)線程本地存儲、緩沖區(qū)分配、同步對象、棧、程序計(jì)數(shù)器等準(zhǔn)備好以后，就會創(chuàng)建一個(gè)操作系統(tǒng)原生線程。Java 線程結(jié)束，原生線程隨之被回收。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度所有線程，并把它們分配到任何可用的 CPU 上。當(dāng)原生線程初始化完畢，就會調(diào)用 Java 線程的 run() 方法。run() 返回時(shí)，被處理未捕獲異常，原生線程將確認(rèn)由于它的結(jié)束是否要終止 JVM 進(jìn)程（比如這個(gè)線程是最后一個(gè)非守護(hù)線程）。當(dāng)線程結(jié)束時(shí)，會釋放原生線程和 Java 線程的所有資源。
6. 參考文章
