第2章Java虛擬機(jī)的結(jié)構(gòu)
本文檔指定了一個抽象機(jī)器。它沒有描述Java虛擬機(jī)的任何特定實現(xiàn)。
要正確實現(xiàn)Java虛擬機(jī)，您只需要能夠讀取class文件格式并正確執(zhí)行其中指定的操作。不屬于Java虛擬機(jī)規(guī)范的實現(xiàn)細(xì)節(jié)會不必要地限制實現(xiàn)者的創(chuàng)造力。例如，運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)域的內(nèi)存布局，使用的垃圾收集算法以及Java虛擬機(jī)指令的任何內(nèi)部優(yōu)化（例如，將它們轉(zhuǎn)換為機(jī)器代碼）由實現(xiàn)者自行決定。

2.1。該class文件格式
由Java虛擬機(jī)執(zhí)行的編譯代碼使用獨(dú)立于硬件和操作系統(tǒng)的二進(jìn)制格式表示，通常（但不一定）存儲在文件中，稱為class文件格式。該class文件格式精確定義的類或接口，其中包括詳細(xì)信息，如字節(jié)順序理所當(dāng)然在特定平臺的目標(biāo)文件格式可能采取的代表性。
第4章“ class文件格式” class詳細(xì)介紹了文件格式。

2.2。數(shù)據(jù)類型
與Java編程語言一樣，Java虛擬機(jī)也可以使用兩種類型：基本類型 和引用類型。相應(yīng)地，有兩種值可以存儲在變量中，作為參數(shù)傳遞，由方法返回，并對其進(jìn)行操作：原始值和參考值。
java虛擬機(jī)期望幾乎所有類型檢查都在運(yùn)行時之前完成，通常由編譯器完成，而不必由Java虛擬機(jī)本身完成。原始類型的值不需要被標(biāo)記或以其他方式可檢查以在運(yùn)行時確定它們的類型，或者與引用類型的值區(qū)分。相反，Java虛擬機(jī)的指令集使用旨在對特定類型的值進(jìn)行操作的指令來區(qū)分其操作數(shù)類型。例如，*iadd*，*ladd*，*fadd*和 *dadd*都是Java虛擬機(jī)指令添加兩個數(shù)值，并產(chǎn)生數(shù)值結(jié)果，但每個專業(yè)的操作數(shù)類型： `int`，`long`，`float`，和`double`分別。有關(guān)Java虛擬機(jī)指令集中類型支持的摘要，請參見 [§2.11.1](https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html#jvms-2.11.1 "2.11.1。 類型和Java虛擬機(jī)")。
Java虛擬機(jī)包含對對象的顯式支持。對象是動態(tài)分配的類實例或數(shù)組。對對象的引用被認(rèn)為具有Java虛擬機(jī)類型reference。類型的值reference可以被認(rèn)為是指向?qū)ο蟮闹羔?。可能存在多個對象的引用。始終通過類型值操作，傳遞和測試對象 reference。

2.3。原始類型和價值觀
Java虛擬機(jī)支持的原始數(shù)據(jù)類型是數(shù)字類型， boolean類型（§2.3.4）和returnAddress 類型（§2.3.3）。
數(shù)字類型由整數(shù)類型（§2.3.1）和浮點(diǎn)類型 （§2.3.2）組成。

整體類型是：

*   `byte`，其值為8位有符號二進(jìn)制補(bǔ)碼整數(shù)，其默認(rèn)值為零
*   `short`，其值為16位有符號二進(jìn)制補(bǔ)碼整數(shù)，其默認(rèn)值為零
*   `int`，其值為32位有符號二進(jìn)制補(bǔ)碼整數(shù)，其默認(rèn)值為零
*   `long`，其值為64位有符號二進(jìn)制補(bǔ)碼整數(shù)，其默認(rèn)值為零
*   `char`，其值為16位無符號整數(shù)，表示基本多語言平面中的Unicode代碼點(diǎn)，使用UTF-16編碼，其默認(rèn)值為空代碼點(diǎn)（`'\u0000'`）

浮點(diǎn)類型是：
*   `float`，其值是浮點(diǎn)值集的元素，或者，如果支持，則為float-extended-exponent值集，其默認(rèn)值為正零
*   `double`，其值是double值集的元素，或者，如果支持，則為double-extended-exponent值集，其默認(rèn)值為正零
所述的值`boolean` 類型編碼的真值`true`和`false`，并且缺省值是`false`。
第一版*的的Java ?虛擬機(jī)規(guī)范*并不認(rèn)為 `boolean`是一個Java虛擬機(jī)類型。但是，`boolean`值在Java虛擬機(jī)中的支持有限。第二版*的的Java ?虛擬機(jī)規(guī)范* 的治療澄清這個問題`boolean`作為一個類型。
該`returnAddress`類型的值 是指向Java虛擬機(jī)指令的操作碼的指針。在原始類型中，只有`returnAddress`類型與Java編程語言類型沒有直接關(guān)聯(lián)。

程序計數(shù)寄存器：
每個線程都有自己的程序計數(shù)寄存器、
每個Java虛擬機(jī)線程都在執(zhí)行單個方法的代碼、
如果線程執(zhí)行的不是 native 方法，則程序計數(shù)寄存器包含當(dāng)前正在執(zhí)行的Java虛擬機(jī)指令的地址。
如果線程執(zhí)行的是 native 方法，則程序計數(shù)寄存器的值未定義。
PC寄存器的內(nèi)容總是指向下一條將被執(zhí)行指令的地址，這里的地址可以是一個本地指針，也可以是在方法區(qū)中相對應(yīng)于該方法起始指令的偏移量。

Java虛擬機(jī)棧
每個Java虛擬機(jī)線程都有一個私有Java虛擬機(jī)棧，與線程同時創(chuàng)建。
Java虛擬機(jī)棧存儲幀。
Java虛擬機(jī)棧類似于傳統(tǒng)語言的棧，例如C：它保存局部變量和部分結(jié)果，并在方法調(diào)用和返回中起作用。
由于除了push和pop幀之外，永遠(yuǎn)不會直接操作Java虛擬機(jī)棧，因此可以對堆進(jìn)行堆分配。
Java虛擬機(jī)棧的內(nèi)存不需要是連續(xù)的。

Heap 堆
堆在Java虛擬機(jī)線程之間共享。
堆是運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)，從中分配所有類實例和數(shù)組的內(nèi)存。
堆是在虛擬機(jī)啟動時創(chuàng)建的。對象的堆存儲由自動存儲管理系統(tǒng)（稱為垃圾收集器）回收 ; 對象永遠(yuǎn)不會被顯式釋放。Java虛擬機(jī)假設(shè)沒有特定類型的自動存儲管理系統(tǒng)，可以根據(jù)實現(xiàn)者的系統(tǒng)要求選擇存儲管理技術(shù)。堆可以具有固定大小，或者可以根據(jù)計算的需要進(jìn)行擴(kuò)展，并且如果不需要更大的堆，則可以收縮。堆的內(nèi)存不需要是連續(xù)的。
Java虛擬機(jī)實現(xiàn)可以為程序員或用戶提供對堆的初始大小的控制，以及如果可以動態(tài)擴(kuò)展或收縮堆，則控制最大和最小堆大小。

類的對象放在heap（堆）中，所有的類對象都是通過new方法創(chuàng)建，創(chuàng)建后，在stack（棧）會創(chuàng)建類對象的引用（內(nèi)存地址）。
一種常規(guī)用途的內(nèi)存池（也在RAM（隨機(jī)存取存儲器 ）區(qū)域），其中保存了Java對象。和棧不同：“內(nèi)存堆”或“堆”最吸引人的地方在于編譯器不必知道要從堆里分配多少存儲空間，也不必知道存儲的數(shù)據(jù)要在堆里停留多長的時間。因此，用堆保存數(shù)據(jù)時會得到更大的靈活性。要求創(chuàng)建一個對象時，只需用new命令編輯相應(yīng)的代碼即可。執(zhí)行這些代碼時，會在堆里自動進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存。當(dāng)然，為達(dá)到這種靈活性，必然會付出一定的代價：在堆里分配存儲空間時會花掉更長的時間。
JVM將所有對象的實例（即用new創(chuàng)建的對象）（對應(yīng)于對象的引用（引用就是內(nèi)存地址））的內(nèi)存都分配在堆上，堆所占內(nèi)存的大小由-Xmx指令和-Xms指令來調(diào)節(jié)

方法區(qū)
method（方法區(qū)）又叫靜態(tài)區(qū)，存放所有的①類（class），②靜態(tài)變量（static變量），③靜態(tài)方法，④常量和⑤成員方法。

1.又叫靜態(tài)區(qū)，跟堆一樣，被所有的線程共享。
2.方法區(qū)中存放的都是在整個程序中永遠(yuǎn)唯一的元素。這也是方法區(qū)被所有的線程共享的原因。

Java虛擬機(jī)具有在所有Java虛擬機(jī)線程之間共享的*方法區(qū)域*。
方法區(qū)域類似于傳統(tǒng)語言的編譯代碼的存儲區(qū)域或類似于操作系統(tǒng)進(jìn)程中的“文本”段。
它存儲每類結(jié)構(gòu)，例如運(yùn)行時常量池，字段和方法數(shù)據(jù)，以及方法和構(gòu)造函數(shù)的代碼，包括類和實例初始化以及接口初始化中使用的特殊方法.
方法區(qū)域是在虛擬機(jī)啟動時創(chuàng)建的。雖然方法區(qū)域在邏輯上是堆的一部分，但是簡單的實現(xiàn)可能選擇不垃圾收集或壓縮它。本規(guī)范未規(guī)定方法區(qū)域的位置或用于管理編譯代碼的策略。方法區(qū)域可以是固定大小的，或者可以根據(jù)計算的需要進(jìn)行擴(kuò)展，并且如果不需要更大的方法區(qū)域，則可以縮小方法區(qū)域。方法區(qū)域的內(nèi)存不需要是連續(xù)的。
虛擬機(jī)的體系結(jié)構(gòu)：①Java棧，② 堆，③PC寄存器，④方法區(qū)，⑤本地方法棧，⑥運(yùn)行常量池

本地方法棧
Native method stack(本地方法棧)：保存native方法進(jìn)入?yún)^(qū)域的地址。

A frame is used to store data and partial results, as well as to perform dynamic linking, return values for methods, and dispatch exceptions.

"frame" 幀用于`存儲數(shù)據(jù)和部分結(jié)果`，以及`執(zhí)行動態(tài)鏈接`，`返回方法的值`以及`調(diào)度異常`。
幀是用于支持虛擬機(jī)進(jìn)行方法調(diào)用和方法執(zhí)行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是虛擬機(jī)運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)的虛擬機(jī)棧的元素。

棧幀存儲了方法的局部變量表，操作數(shù)棧，動態(tài)連接和方法返回地址等信息。
每次調(diào)用方法時都會創(chuàng)建一個新幀。當(dāng)方法調(diào)用完成時，幀將被銷毀，無論該方法是正常完成還是異常退出。

jvm為每個新創(chuàng)建的線程都分配一個棧。棧是以幀為單位保存線程的狀態(tài)。jvm對棧只進(jìn)行兩種操作：以幀為單位的壓棧和出棧操作。
幀是從創(chuàng)建幀的線程的Java虛擬機(jī)棧中分配的。每個幀都有自己的局部變量數(shù)組、自己的操作數(shù)棧、以及對當(dāng)前方法的類的運(yùn)行時常量池的引用。
棧幀存儲了方法的局部變量表，操作數(shù)棧，動態(tài)鏈接和方法返回地址等信息。一個方法從調(diào)用開始到執(zhí)行完成，就對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機(jī)棧中從入棧到出棧的過程。

在編譯代碼的時候，棧幀中需要多大的局部變量表，多深的操作數(shù)棧 都已經(jīng)完全確定了，并且寫入到了方法表的Code屬性中，因此一個棧幀需要分配多少內(nèi)存，不會受到程序運(yùn)行期變量數(shù)據(jù)的影響，而僅僅取決于具體虛擬機(jī)的實現(xiàn)
一個線程中的方法調(diào)用鏈可能會很長，很多方法都同時處理執(zhí)行狀態(tài)。對于執(zhí)行引擎來講，活動線程中，只有虛擬機(jī)棧頂?shù)臈攀怯行У?，稱為當(dāng)前棧幀 (Current Stack Frame)，這個棧幀所關(guān)聯(lián)的方法稱為當(dāng)前方法(Current Method)。執(zhí)行引用所運(yùn)行的所有字節(jié)碼指令都只針對當(dāng)前棧幀進(jìn)行操作。

jvm棧保存局部變量和部分結(jié)果，并在方法調(diào)用和返回中起作用、
jvm棧里存放的棧幀、jvm棧的內(nèi)存不需要是連續(xù)的、jvm棧只允許push and pop frames。

"局部變量表" Local Variables
每個幀包含一個稱為局部變量的變量數(shù)組。
幀的局部變量數(shù)組的長度在編譯時確定，并以類或接口的二進(jìn)制表示形式提供，同時提供與幀相關(guān)的方法的代碼。
單個局部變量可以包含boolean，byte，char，short，int，float，reference或returnAddress類型的值。一對局部變量可以包含long或double類型的值。

"操作數(shù)棧" Operand Stacks
每個幀包含一個后進(jìn)先出(LIFO)棧，稱為其操作數(shù)堆棧。
同局部變量表一樣，操作數(shù)棧的最大深度也是編譯的時候被寫入到方法表的Code屬性的 max_stacks數(shù)據(jù)項中。

"動態(tài)連接" Dynamic Linking
每個棧幀都包含一個指向運(yùn)行時常量池中該棧幀所屬性方法的引用，持有這個引用是為了支持方法調(diào)用過程中的動態(tài)連接。
在Class文件的常量池中存有大量的 符號引用，字節(jié)碼中的方法調(diào)用指令就以常量池中指向方法的符號引用為參數(shù)。
這些符號引用一部分會在類加載階段或第一次使用的時候轉(zhuǎn)化為直接引用，這種轉(zhuǎn)化 稱為靜態(tài)解析。另外一部分將在每一次的運(yùn)行期期間轉(zhuǎn)化為直接引用，這部分稱為動態(tài)連接。
動態(tài)鏈接將這些符號方法引用轉(zhuǎn)換為具體的方法引用，根據(jù)需要加載類以解析尚未定義的符號，并將變量訪問轉(zhuǎn)換為與這些變量的運(yùn)行時位置相關(guān)聯(lián)的存儲結(jié)構(gòu)中的適當(dāng)偏移。

"ClassLoader" 是負(fù)責(zé)加載class文件，class文件在文件開頭有特定的文件標(biāo)示，并且ClassLoader只負(fù)責(zé)class文件的加載，至于它是否可以運(yùn)行，則由Execution Engine決定
"Native Interface" 是負(fù)責(zé)調(diào)用本地接口的。他的作用是調(diào)用不同語言的接口給JAVA用，他會在Native Method Stack中記錄對應(yīng)的本地方法，然后調(diào)用該方法時就通過Execution Engine加載對應(yīng)的本地lib。原本多于用一些專業(yè)領(lǐng)域，如JAVA驅(qū)動，地圖制作引擎等，現(xiàn)在關(guān)于這種本地方法接口的調(diào)用已經(jīng)被類似于Socket通信，WebService等方式取代
"Execution Engine" 是執(zhí)行引擎，也叫Interpreter。Class文件被加載后，會把指令和數(shù)據(jù)信息放入內(nèi)存中，Execution Engine則負(fù)責(zé)把這些命令解釋給操作系統(tǒng)
"Runtime Data Area" 則是存放數(shù)據(jù)的，分為五部分：Stack，Heap，Method Area，PC Register，Native Method Stack。幾乎所有的關(guān)于java內(nèi)存方面的問題，都是集中在這塊