問題：

Q1：什么是 JVM？

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫，JVM是一種用于計算設(shè)備的規(guī)范，它是一個虛構(gòu)出來的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現(xiàn)的。

Q2：JVM、Dalvik 和 ART

android5.0之前使用的虛擬機是Dalvik虛擬機，這個虛擬機在JVM的基礎(chǔ)上做了一定的優(yōu)化。android5.0之后，android采用了新的虛擬機ART。

Q3：JVM 內(nèi)存模型，也就是說 JVM 包含什么？

Q4：虛擬機中對象的創(chuàng)建過程

這些問題在下文會有敘述。

一、Java 技術(shù)體系

Java 的技術(shù)體系主要包含下列內(nèi)容：

• Java 程序設(shè)計語言：也就是 Java 語言，包括各種定義、規(guī)范等；
• Java 虛擬機：各種硬件平臺上的虛擬機；
• Class 文件格式：簡單的說就是把 Java 代碼轉(zhuǎn)換為二進制、格式為 Class 的文件，方便在各個平臺被虛擬機讀取；
• Java API 類庫：Java 提供的 API，方便開發(fā)者日常使用。比如日歷 Calendar，數(shù)學計算 Math 等；
• 來自商業(yè)機構(gòu)和開源社區(qū)的第三方 Java 類庫：也就是第三方庫。

各部件關(guān)系

關(guān)于 Java 運行流程，先看前半部分。Java 源代碼經(jīng)過編譯器處理過，生成 .class 文件。這是一種二進制文件，在虛擬機運行后，再通過 ClassLoader 把 .class 文件加載到虛擬機中運行。虛擬機加載文件流程后面會記錄。

二、JVM 虛擬機

Java 虛擬機是一種抽象化的計算機，在實際上的計算機模擬各種計算機功能來實現(xiàn)。

正是因為模擬了一臺計算機，所以可以方便地在其它計算機環(huán)境下運行。
就比如市面上的 GBA、NES 游戲模擬器，模擬了游戲運行環(huán)境，可以在手機、電腦等設(shè)備上運行，實現(xiàn)執(zhí)行游戲文件的功能。Java 也是類似的過程實現(xiàn)了跨平臺運行。

2.1 JVM 啟動流程

1. 為 JVM 分配內(nèi)存空間；
   這部分由運行平臺實現(xiàn)，不同平臺會根據(jù)環(huán)境以及 JVM 配置為其分配空間。一旦運行成功，JVM 把內(nèi)存劃分為若干個不同的區(qū)域。

JVM 內(nèi)存模型

2. 創(chuàng)建引導(dǎo)類加載器，加載系統(tǒng)類到內(nèi)存空間；
   JVM 創(chuàng)建成功之后，會實例化一個引導(dǎo)類加載器（Bootstrap Classloader），它會會讀取 {JRE_HOME}/lib 下的 jar 包和配置，并將一些系統(tǒng)類加載到方法區(qū)中。比如 java.lang.String, java.lang.Object 都是這時加載的。

一、JVM 虛擬機

JVM 虛擬機運行時包含以下五大區(qū)域：

JVM 內(nèi)存模型圖

• 程序計數(shù)器
• Java虛擬機棧
• 本地方法棧
• 堆
• 方法區(qū)

1.1 程序計數(shù)器

Java 文件通過編譯器編譯成 java 字節(jié)碼文件（也就是 .class 文件），而 java 虛擬機執(zhí)行的就是字節(jié)碼文件。如果想了解什么是字節(jié)碼，可以閱讀下面文章：

JVM：這次一定要搞懂字節(jié)碼

那么程序計數(shù)器就是記錄當前線程執(zhí)行到哪個字節(jié)碼指令的地址，關(guān)于程序計數(shù)器的資料記錄：

程序計數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間，它可以看作是當前線程執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型當中，字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計數(shù)器的值來選擇下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令。

程序計數(shù)器有兩個作用：

1. 字節(jié)碼解釋器通過改變程序計數(shù)器來依次讀取指令，從而實現(xiàn)代碼的流程控制，如：順序執(zhí)行、選擇、循環(huán)、異常處理。
2. 在多線程的情況下，程序計數(shù)器用于記錄當前線程執(zhí)行的位置，從而當線程被切換回來的時候能夠知道該線程上次運行到哪兒了。

注：如果當前線程正在執(zhí)行的是一個本地方法，那么此時程序計數(shù)器為空。 因為本地方法是操作計算機的語言，和字節(jié)碼無關(guān)。

程序計數(shù)器的特點：

1. 是一塊較小的存儲空間。
2. 線程私有。每條線程都有一個程序計數(shù)器。
3. 是唯一一個不會出現(xiàn)OutOfMemoryError的內(nèi)存區(qū)域。
4. 生命周期隨著線程的創(chuàng)建而創(chuàng)建，隨著線程的結(jié)束而死亡。

通俗的總結(jié)一下：程序計數(shù)器用一塊很小的內(nèi)存空間來記錄某線程當前執(zhí)行到的字節(jié)碼行號（第xxx行）。

1.2 Java 虛擬機棧（JVM Stack）

Java虛擬機棧是描述Java方法運行過程的內(nèi)存模型。

當一個方法即將運行時，Java 虛擬機棧首先會在該區(qū)域為該方法創(chuàng)建一個“棧幀”。

棧幀中包括 局部變量表（用于儲存要創(chuàng)建的局部變量）、操作數(shù)棧（虛擬機的工作區(qū)--彈出數(shù)據(jù)，執(zhí)行運算，再把結(jié)果壓回操作數(shù)棧）、動態(tài)鏈接（需要時執(zhí)向所需要的資源地址）、方法出口信息（方法要結(jié)束時的信息）、等。

當這個方法執(zhí)行完畢以后，該方法所對應(yīng)的棧幀將會出棧，并釋放內(nèi)存空間。而Java虛擬機棧管理著這些棧幀。

Java 虛擬機棧的特點：

1. 局部變量表的創(chuàng)建是隨著棧幀的創(chuàng)建而創(chuàng)建，而且局部變量表的大小是在編譯時期就確定了，在方法運行過程中該表大小不會改變。
2. Java 虛擬機棧會出現(xiàn)兩種異常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。
   2.1 StackOverFlowError：Java 虛擬機棧不允許動態(tài)擴展內(nèi)存的情況下線程請求棧的深度超過當前 Java 虛擬機棧的最大深度。Java 虛擬機棧創(chuàng)建時有一定的深度，當棧幀越大、數(shù)量越多的時候棧深度就越小，但內(nèi)存并不一定就用完了。
   2.2 OutOfMemoryError：允許動態(tài)擴展 Java 虛擬機棧內(nèi)存時，且當線程請求棧時內(nèi)存用完了無法再進行擴展，會拋出該異常。
3. Java 虛擬機棧也是線程私有，每個線程持有各自的虛擬機棧，跟隨線程的生命周期。

1.3 本地方法棧

本地方法棧和 Java 虛擬機棧功能類似，它是本地方法運行的內(nèi)存模型，執(zhí)行的是 Native 方法。

本地方法執(zhí)行的時候也會在本地方法棧創(chuàng)建棧幀，用于存放該本地方法的局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、接口信息等。

方法執(zhí)行完畢也會釋放內(nèi)存空間，出現(xiàn)異常也會拋出 Stack Overflow和 OutOfMemoryError 異常。

1.4 堆（heap）

幾乎所有對象的實例都在堆中分配內(nèi)存。也就是說堆中保存了大多數(shù)對象的實例。

堆的特點：

1. 線程共享，上圖也有注明。
2. JVM 啟動時創(chuàng)建。
3. 垃圾回收的主要場所。
4. 可以進一步細分為：新生代、老年代。
   新生代又可以細分為：Eden、From Survior、To Survior。
   這樣劃分的目的是為了使 Jvm 更好地管理堆內(nèi)存中的對象，包括內(nèi)存的分配和回收。
5. 堆的大小既可以固定也可以動態(tài)擴展。在 Android 運行環(huán)境下，一般虛擬機堆的大小是可以擴展的，不同的設(shè)備為每個 App 分配的內(nèi)存是不確定的但有一個最大值。當某應(yīng)用可用內(nèi)存被使用完，又去請求內(nèi)存分配時就會拋出 OutOfMemoryError。

1.5 方法區(qū)

Jvm 棧規(guī)范定義方法區(qū)是堆的一個邏輯部分。

方法區(qū)中存放的是已經(jīng)被 JVM 加載的類信息（class）、常量（final static，enum等）、靜態(tài)變量（static），即經(jīng)過編譯器編譯后的代碼（static{}）等。

方法區(qū)的特點：

1. 線程共享：方法區(qū)是堆的一個邏輯部分，都是線程共享的。整個虛擬機只有一個方法區(qū)。
2. 持久代：方法區(qū)中的信息一般需要長期存在，因此根據(jù)堆的邏輯來劃分，把方法區(qū)稱為持久代。
3. 內(nèi)存回收效率低：因為方法區(qū)的信息需要長期存在，回收可能會丟失數(shù)據(jù)。
   方法區(qū)內(nèi)存回收的主要目標是：對常量池的回收和對類型的卸載。
4. JVM 對方法區(qū)要求寬松：你回不回收內(nèi)存都可以，想要大內(nèi)存可以申請。

運行時常量池：

方法區(qū)中存放三種數(shù)據(jù)：類信息、常量、靜態(tài)變量。其中常量儲存在運行時常量池中。

當某個類被 JVM 加載后，class 文件中的常量就存放在方法區(qū)中的運行時常量池中。并且在運行期間可以向常量池中添加新的常量。比如：String.intern() 方法可以向運行時常量池中添加字符串常量。

二、HotSpot 虛擬機

HotSpot 虛擬機是虛擬機的一個實現(xiàn)，上面所說虛擬機更像是概念上的，而 HotSpot 虛擬機是依據(jù)理論創(chuàng)造出來的虛擬機。

HotSpot的正式發(fā)布名稱為"Java HotSpot Performance Engine"，是Java虛擬機的一個實現(xiàn)，包含了服務(wù)器版和桌面應(yīng)用程序版，現(xiàn)時由Oracle維護并發(fā)布。

接下來記錄 HotSpot 虛擬機對于對象的創(chuàng)建、內(nèi)存分配等過程。

2.1 對象的創(chuàng)建

Object object = new Object();

1. 當虛擬機遇到一條 new 指令時，首先檢查常量池中是否有該對象所屬類的符號引用，并且檢查該類是否被加載、解析和初始化：

• 如果常量池沒有該類的符號引用，拋出 ClassNotFoundException；
• 如果存在并經(jīng)過 JVM 的執(zhí)行、解析和初始化等一系列工作，執(zhí)行下一步工作；

2. 類加載完成后，虛擬機將為新生對象分配內(nèi)存。
   一個對象所需內(nèi)存，在 JVM 把該類加載進入方法區(qū)的時候就已經(jīng)確定了，且一個類所產(chǎn)生的對象所占內(nèi)存大小是一樣的。
3. 從堆中劃分一塊相應(yīng)大小的內(nèi)存給新的對象：
   給對象分配內(nèi)存有兩種方式：

• 指針碰撞（Bump the Pointer）
  如果堆中的內(nèi)存是規(guī)整的，也就是說使用中的內(nèi)存在一邊，空閑內(nèi)存在另一邊，中間有一個指針作為分界點指示器。那么只需要把指針向空閑區(qū)域挪動一段與新對象大小相等的距離。
  什么樣的情況下堆內(nèi)存是規(guī)整的呢？當然是經(jīng)過整理的，比如 JVM 的垃圾收集器采用復(fù)制算法或標記-整理算法，那么堆內(nèi)存是相對規(guī)整的。
• 空閑列表（Free List）
  如果堆中的內(nèi)存不是規(guī)整的，而是已使用內(nèi)存和未使用內(nèi)存交錯的，那么就需要虛擬機維護一個列表并記錄哪些內(nèi)存是可用的。在可用內(nèi)存中找到一塊足夠大的空間劃分給新對象。
  JVM 的垃圾收集器采用標記-清除算法，就會使用這種方式分配內(nèi)存。

選擇哪種分配方式由 Java 堆是否規(guī)整決定，而 Java 堆是否規(guī)整又由所采用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定。

5. 為新對象中的成員變量附上初始值；
6. 設(shè)置并保存對象頭信息（Object Header），對象頭信息包括該對象是哪個類實例、對象的哈希碼、對象的 GC 分代年齡等信息。
7. 一般來說，執(zhí)行 new 指令之后會接著執(zhí)行 <init> 方法，把對象按照程序員規(guī)定的構(gòu)造函數(shù)進行初始化。

經(jīng)過以上步驟，對象的創(chuàng)建過程就完成了。

2.2 對象的內(nèi)存模型

一般情況下，一個對象包括成員變量，構(gòu)造函數(shù)，成員方法。那么在內(nèi)存中分為三個部分：對象頭、實例數(shù)據(jù)、對齊填充。

• 對象頭(Header)，HotSpot 虛擬機的對象包括兩部分信息：
  (1) 第一部分用于存儲對象自身運行時數(shù)據(jù)，包括哈希碼、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標志、線程持有的鎖。
  (2) 第二部分是類型指針，虛擬器通過這個指針來確定該對象是哪個類的實例。
• 實例數(shù)據(jù)(Instance Data):
  對象存儲的真正有效信息，也就是成員變量的值，包括本類和父類的成員變量的值。
• 對齊填充(Padding):
  不是必然存在，僅僅起著占位符的作用。HotSpot 要求對象的總長度必須是 8 字節(jié)的整數(shù)倍，當對象實例數(shù)據(jù)部分沒有對齊時，就需要通過對齊補充來補全。

2.3 對象的訪問

我們知道引用類型的變量存儲為一個地址，對象的訪問方式取決于虛擬機的實現(xiàn)。主流的訪問方式有兩種，句柄式訪問和直接指針訪問：

1. 句柄式訪問
   堆中有一塊內(nèi)存空間叫 "句柄池"，用于存放所有對象的地址和對象所屬類信息。
   引用類型變量存放的地址是該對象在句柄池中的地址，訪問對象時首先通過該對象的句柄，然后根據(jù)句柄再訪問該對象。
2. 直接指針訪問
   通過引用直接訪問該對象的地址，但對象所在內(nèi)存空間需要額外的內(nèi)存策略來記錄該對象在方法區(qū)中的類信息的地址。

這兩種訪問方式各有利弊，句柄式訪問的好處是實際引用對象改變時只需更改該句柄的指針；而使用直接指針訪問速度較快，但需要額外的策略儲存被引用對象的類信息。
對于 HotSpot，使用的是直接指針訪問的方式。

參考資料：

深入理解JVM(一)——JVM內(nèi)存模型