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  • Java 内存区域-运行时数据区域

    千次阅读 2018-08-19 20:46:08
    一开始看的比较快,对JVM 运行时数据区域只有一个模糊的概念,不太清楚不同内存区域里面到底存放了那些数据,所以在此记录。   我们都知道Java 与C、C++ 最大的区别就是内存管理领域(Java 有内存动态分配和垃圾...

      最近在学习JVM 的相关知识。一开始看的比较快,对JVM 运行时数据区域只有一个模糊的概念,不太清楚不同内存区域里面到底存放了那些数据,所以在此记录。

      我们都知道Java 与C、C++ 最大的区别就是内存管理领域(Java 有内存动态分配和垃圾收集技术)。在《深入理解Java虚拟机》中描述C、C++ 对内存的管理:对于从事C、C++ 的程序开发人员来说,在内存管理区域,他们即是拥有最高权力的”皇帝”,又是从事最基础工作的”劳动人员”——既拥有每个对象的”所有权”,又担负着每个对象生命开始到终结的维护任务。

      对于Java 来说,由于Java 程序是交给JVM 执行的,所以了解Java 内存区域其实就是了解JVM 内存区域。

    一、 JVM运行时数据区域

    • 什么是运行时数据区域?

    这里我们需要了解一下Java 程序的执行流程:
    这里写图片描述

    如上图所示,首先Java源代码文件(.java后缀)会被Java编译器编译为字节码文件(.class后缀),然后由JVM中的类加载器加载各个类的字节码文件,加载完毕之后,交由JVM执行引擎执行。在整个程序执行过程中,JVM会用一段空间来存储程序执行期间需要用到的数据和相关信息,这段空间一般被称作为Runtime Data Area(运行时数据区)

    • 看看正规的描述

    Java 虚拟机在执行Java 程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁的时间,有点区域随着虚拟机进程的启动而存在,有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java 虚拟机规范》的规定,Java 虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区。
    (蓝色为线程私有,橙色为共有)
    JVM运行时数据区

    二、各数据区介绍

    下面我们来分别了解一下各个数据区:

    1. 程序计数器

    程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器(也有人称PC 寄存器)。在虚拟机的概念模型里,字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

    解释到这里可能有的小伙伴还是很懵。前面我们谈到Java 程序的执行流程里面谈到了

    Java源代码文件(.java后缀)会被Java编译器编译为字节码文件(.class后缀),然后
    由JVM中的类加载器加载各个类的字节码文件,加载完毕之后,交由JVM执行引擎执行。

    由于Java 虚拟机的多线程是通过轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的,任何时候,一个处理器都只会执行一条线程中的指令。因此为了线程切换后能够恢复发到正确的位置,我们就需要程序计数器来记录程序执行的位置。举个CPU 的解释栗子:当你在看砖头书的时候你妈叫你去吃饭,作为一个肥宅,肯定快乐的扔掉书就跑了。但你又继续啃书的时候才发现不知道自己看到哪了。怎么解决?下次卡个书签呗。程序计数器就是这个道理,记录程序的字节码的执行位置,当当前线程重新拥有CPU 时可以继续执行剩下的代码。

    通过上面的解释可以很清晰的理解不同的线程肯定不能共用一个程序计数器,每条线程都需要有一个独立的的程序计数器,各条线程间计数器互不影响,独立存储。我们称这类内存区域为”线程私有”。在JVM规范中规定,如果线程执行的是一个Java方法,则程序计数器中保存的是当前需要执行的指令的字节码地址;如果线程执行的是native方法,则程序计数器中的值是空(undefined)。前面我们提到了:程序计数器是一个很小的内存地址。此内存区域是唯一一个在Java 虚拟机中没有规定任何内存泄露(OutOfMemoryError)情况的区域,程序计数器中存储的数据所占空间的大小不会随程序的执行而发生改变。就像书签一样,不管卡在那,它自己不会变。

    2. Java 虚拟机栈

    Java 虚拟机栈(Java Vitual Machine Stack)跟C 中栈有点类似。与程序计数器一样,Java 虚拟机栈也是线程私有的。虚拟机栈描述的是Java 方法执行的内存模型:

    每个方法在执行的同时会创建一个栈帧(Stack
    Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。

    周大大的解释可以说是很精简了。程序每执行一个方法,就会分配一个栈帧,并将建立的栈帧压栈。当方法执行完毕之后,便会将栈帧出栈。因此可知,线程当前执行的方法所对应的栈帧必定位于Java栈的顶部。讲到这里,大家就应该会明白为什么在使用递归方法的时候容易导致栈内存溢出的现象了。
    Java 虚拟机栈

    • 局部变量表

    局部变量表,顾名思义,就是用来存储在编译器可知的基本数据类型的变量(8种基本数据类型);对象引用(reference 类型, 对于引用类型的变量,存的是指向对象起始地址的引用指针)和returnAddress 类型(方法返回地址,当一个方法执行完毕之后,要返回之前调用它的地方,因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址)。局部变量表的大小在编译器就可以确定其大小了,因此在程序执行期间局部变量表的大小是不会改变的。

    • 操作数栈

    操作数栈,想必学过数据结构中的栈的朋友想必对表达式求值问题不会陌生,栈最典型的一个应用就是用来对表达式求值。想想一个线程执行方法的过程中,实际上就是不断执行语句的过程,而归根到底就是进行计算的过程。因此可以这么说,程序中的所有计算过程都是在借助于操作数栈来完成的。

    • 两种异常状况
      StackOverflowError 异常
       如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出StackOverflowError 异常。
      OutOfMemoryError 异常
       如果虚拟机栈可以动态扩展,如果扩展时无法申请到足够的内存,就会抛出OutOfMemoryError异常。

    3. 本地方法栈

    本地方法栈和虚拟机栈发挥的作用十分相似。同样是线程私有,它们之间的区别不过是虚拟机栈为Java 方法服务,而本地方法栈为虚拟机使用到的Native 方法服务。在JVM规范中,并没有对本地方发展的具体实现方法以及数据结构作强制规定,虚拟机可以自由实现它。在HotSopt虚拟机中直接就把本地方法栈和Java栈合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈也会抛出StackOverflowError 异常和OutOfMemoryError 异常。

    4. Java 堆

    Java 堆(Java Heap)是Java 虚拟机所管理的最大的一块内存。Java 堆是被所有线程共享。Java 堆的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例以及数组都是在这里分配内存。这一点在《Java 虚拟机规范》中的描述:

    所有的对象实例以及数组都要在堆上分配,但是随着JIT 编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化将会导致一些微妙的变化发生,所有的对象在堆上分配也变得不那么“绝对”了。

    Java 堆是垃圾收集器的主要区域,因此很多时候也叫“GC”堆。

    5. 方法区

    方法区(Method Area)与堆一样,是被哥哥线程共享的内存区域。在方法区中,存储了每个类的信息(包括类的名称、方法信息、字段信息)、静态变量、常量以及编译器编译后的代码等。

    在Class文件中除了类的字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息是常量池,用来存储编译期间生成的字面量和符号引用。

    运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分,它是每一个类或接口的常量池的运行时表示形式,在类和接口被加载到JVM后,对应的运行时常量池就被创建出来。当然并非Class文件常量池中的内容才能进入运行时常量池,在运行期间也可将新的常量放入运行时常量池中,比如String的intern方法。

    在JVM规范中,没有强制要求方法区必须实现垃圾回收。很多人习惯将方法区称为“永久代”,是因为HotSpot虚拟机以永久代来实现方法区,从而JVM的垃圾收集器可以像管理堆区一样管理这部分区域,从而不需要专门为这部分设计垃圾回收机制。不过自从JDK7之后,Hotspot虚拟机便将字符串常量池从永久代移除了。

    6. 直接内存

    直接内存(Direct Memory)不是Java 虚拟机规范中定义的内存区域。

    在JDK1.4 中新加入的NIO 类,引入了一种基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)的I/O 形式,他可以使用Native 函数直接分配堆外内存,然后通过一个存储在Java 堆中的DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场所显著提高性能,因为避免了在Java 堆和Native 堆中来回复制数据。

    本机直接内存受本机总内存限制。

    参考资料:

      https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3613043.html
      
      《深入理解Java虚拟机》

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  • Java运行时数据区域划分

    千次阅读 2019-05-24 16:14:19
    直接内存(direct memeory)并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。但是这部分也被频繁地使用,而且也可能导致OutOfMemeoryError异常出现。 以上内存来自深入理解Java虚拟机一...

     

     

     

    1.程序计数器

    程序计数器(program counter register)是一块比较小的内存空间,它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里面,字节码解释器工作时候就是通过改变机器数起的值来选择下一条需要执行的字节码执行,分支、循环、跳转、异常处理等基础功能都需要依赖计数器完成。

    由于JAVA虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的在任何一个确定的时刻,一个处理都只会执行一条线程中的指令。因此,为了线程切换后恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各条线程之间计数器互不影响,独立存储,我们叫这类内存区域为"线程私有"

    如果线程正在执行的是一个Java方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址,如果执行的是Native方法,这个计数器则为空。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

    2.JAVA虚拟机栈

    与程序计数器一样,Java虚拟机栈(java virtual machine stacks)也是线程私有的,它的生命周期和线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型,每个方法在执行的同时都会创建一个栈桢(stack frame) 用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈桢在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

    在Java虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常情况:如果线程请求的栈深度大于虚拟机锁允许的深度,将抛出StackOverflowError异常,如果虚拟机栈可以动态扩展(),如果扩展时无法申请到足够的内存,就睡抛出OutOfMemeoryError异常,也就是OOM异常.

    3.本地方法栈

    本地方法栈(native method stack)与虚拟机栈所发挥的所用非常相似,他们之间的区域不过就是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则为虚拟机用的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定。因此具体的虚拟机可以自由实现。甚至有的虚拟机(Sun HotSpot虚拟机)直接合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈预期也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

    4.JAVA堆

    对于大多数应用来说,Java堆(Java Heap)是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例。几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这一点在Java虚拟机规范中的描述是:所有的对象实例以及数组都要在堆上分配,但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生,所有的对象都分配在堆上也渐渐不是那么绝对了

    Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称作为"GC堆"(Garbage Collected Heap).从内存回收的角度来看,由于收集器基本都采用分代收集算法,所以Java堆还可以细分为:新生代和老年代。在细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survior空间等。从内存分配的角度来看,线程共享的Java堆中可能划分多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer:TLAB)。无论如何划分,都与存放内容无关,无论哪个区域,存储的都是对象实例,进一步划分的目的是为了更好的回收内存或者更快的分配内存。

    根据Java虚拟机规范的规定,Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上是连续的即可,就像我们的磁盘一样。在实现时,既可以实现固定大小的,也可以扩展的,不过当前的虚拟机都是按照可以扩展的来实现(通过-Xmx和-Xms控制),如果堆中没有分配内存完成实例分配,并且堆也无法在扩展的时候,将会抛出OutOfMememoryError异常。

    5.方法区

    方法区(method area)与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却又一个别名叫做non-heap(非堆),目的应该是与Java堆区分开来。

    习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署的开发者来说,很多都愿意把方法区成为"永久带"(permanet generation),本质上两者并不等价,仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队把GC分代收集扩展至方法区,或者说使用永久代实现方法区而已,这样的HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存,能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。对于其他虚拟机来说是不存在永久代的概念。原则上,如何实现方法区属于虚拟机实现细节,不受虚拟机规范约束,但是用永久代实现方法区,现在看来不是一个好主意,因为这样容易遇到内存溢出问题(永久代有-XX:MaxPerSize的上限,J9和JRockit只要没有接触到进程可用内存的上线,列入32位系统的4GB,就不会出现问题),而且有极少数方法(列入String.intern())会因为这个原因导致不同虚拟机下有不同的表现。因此,低于HotSpot虚拟机,根据官方发布的路线图信息,现在也有放弃永久代并逐步采用Native Memory来实现方法区的规划,在目前已经发布的JDK1.7的HotSpot中,已经把原来放在永久代的字符串常量池移出。

    Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松,除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外,还可以选择不实现垃圾收集。相对而言,垃圾收集行为在这个区域比较少出现的,但并非数据进入的方法区就如永久代名字一样"永久"存在了。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载,一般来说,这个区域的回收"成绩"比较难以令人满意,尤其是类型的卸载,条件相当苛刻,但是这部分区域的回收趋势是必要的。

    根据Java虚拟机规范的规定,当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemeoryError异常。

    6.运行时常量池

    运行时常量池(runtime constant pool)是方法区的一部分。class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有信息常量池,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

    Java虚拟机对class文件每一部分(包括常量池)的格式都有严格规定,每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装载和执行,但对于运行时常亮吃,Java虚拟机规范没有做任何细节的要求,不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。不过,一般来说,除了保存class文件描述的符号引用外,还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

    运行时常量池相对于class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性,Java语言并不需要常量一定只有编译器才能产生,也就是并非预置入class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可能将新的常量放入池中,这种特性被开发人员利用的比较多的就是String类的intern()方法。

    既然运行时常量池也是方法区的一部分,自然受到方法区内存的限制,当常量池无法在申请到内存时会抛出OutOfMemeoryError异常。

    7.直接内存

    直接内存(direct memeory)并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。但是这部分也被频繁地使用,而且也可能导致OutOfMemeoryError异常出现。

    以上内存来自深入理解Java虚拟机一书的知识点。


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  • JVM:一、运行时数据区域

    万次阅读 多人点赞 2018-02-22 23:48:58
    JVM运行时数据区域 程序计数器 虚拟机栈 本地方法栈 堆 方法区 有的区域随着虚拟机进程的启动而存在,有的区域则依赖用户进程的启动和结束而创建和销毁。 1. 程序计数器  解释:【指向...

    概述

        Java的虚拟机使Java的成为了一种跨平台的语言,Java的不直接与操作系统接触,而是通过虚拟机这个中间桥梁,通过JVM与底层接触。不同的系统有不同的JVM,但是所有的这些JVM都完美的支持Java语法,这就使得write once,run everywhere成为可能。

        除此之外,JVM的内存管理机制使得不需要再为每一个新的操作去删除/免费代码,由机器代替程序员这样就不容易出现内存泄露和内存溢出的问题了,但是一旦出现了这种问题如果不了解JVM是怎样使用内存的,那么排查错误将会非常困难。

    JVM运行时数据区域

    • 程序计数器
    • 虚拟机栈
    • 本地方法栈
    • 方法区

    有的区域随着虚拟机进程的启动而存在,有的区域则依赖用户进程的启动和结束而创建和销毁。

    1. 程序计数器

        解释:【指向当前线程所执行的字节码的行号】,其实就是一小块内存,记录着当前程序运行到哪了字节码解释器的工作就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令(字节码指令是什么?)。分支,循环,跳转,异常处理,线程回复等都需要依赖这个计数器来完成。

        由于Java的多线程是通过线程轮流切换完成的,一个线程没有执行完时就需要一个东西记录它执行到哪了,下次抢占到了CPU资源时再从这开始,这个东西就是程序计数器,正是因为这样,所以它也是“线程私有”的内存。

        如果一个线程执行一个主要方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是一个本地方法,这个计数器的值则为空,此内存区域是唯一一个在Java的虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError异常情况的区域。

    2. Java虚拟机栈

        与程序计数器一样,Java的虚拟机栈也是线程私有的,虚拟机栈描述的是Java的方法执行的内存模型,方法每个执行在同时的创建³³都会一个栈桢用于存储局部变量表,操作数栈,动态链接,方法出口等信息,下图为栈桢结构图:

        通常所说的JVM里的堆和栈里这个栈就是Java的虚拟机栈,或者说是Java的虚拟机栈中的局部变量表部分。

        局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型,对象引用(仅限局部变量的,不包含成员变量的)。其中每个局部变量空间(Slot)有32位,所以long和double类型的数据会占用两个局部变量空间,其他类型包括对象引用占用一个。对象引用调用的是存在堆中的对象,这个引用可以是对象的起始地址或者是指向对象的句柄。局部变量表所需的内存在编译期就已经确定了也就是进入这个方法时就已经确定了,运行期间不会更改。

        操作数栈则存储方法内一些进行了运算操作后的结果。

        动态链接,在方法内调用接口,通过字面量链接到具体的实现类,实现Java的动态特性。

        方法出口(返回地址),return或者发生Exception等。

        如果方法methodOne方法调用了methodTwo,那么methodOne就会先入栈创建一个栈桢,接着methodTwo再入栈成为栈顶(假设没有其他的方法执行),methodTwo执行完先出栈,接着methodOne执行完出栈。

        在使用递归的情况下,如果线程请求的栈的深度超过虚拟机所允许栈的深度就会抛出StackOverflowError;但是大部分虚拟机栈的深度都可以动态扩展,HotSpot中使用XSS可以设置栈的深度,如果扩展时无法请求到足够的内存就会抛出OutOfMemoryError。

    3. 本地方法栈

        本地方法栈和虚拟机栈相似,区别就是虚拟机为虚拟机栈执行Java服务(字节码服务),而本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。本地方法栈中使用的语言,使用方式,数据结构没有强制要求。

    4. Java堆

        堆是JVM里最大的一块内存区域,被所有线程共享,在虚拟机启动时创建,此区域的目的就是存放对象实例和数组,几乎所有的对象实例都在这分配(随着JIT的发展已经不是那么绝对了)的.java堆是垃圾收集管理的主要区域,由于现在收集器基本都采用分代收集方法,所以Java的堆中还可以分为新生代,老年代,永久代.1.8之后取消了永久代;其中新生代又划分为Eden空间,From Survivor空间,To Survivor空间。无论怎么划分都是为了更好的回收,分配,利用内存。下图为1.8后的内存模型

        根据的Java虚拟机规范,Java的堆可以处于物理不连续的空间中,只要逻辑连续即可。在实现时,既可以实现成固定大小的也可以是可扩展的(通过-Xmx和-Xms控制),如果堆中没有足够的内存完成实例分配,并且堆也无法得到扩展时,将会抛出的OutOfMemoryError异常。

    5. 方法区

        方法区也是一个线程共享的区域,存储已被虚拟机加载的类信息,常量(final),静态变量(static),JIT(即时编译器)编译后的代码等数据。

    Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,其实堆和方法区可以看成数据部分;虚拟机栈和程序计数器可以看成指令部分;方法区存储一些不会变更的数据,之前热点上使用GC分代收集管理方法区,所以方法区也被称为永久代(本质上两者不等价),但是现在已经使用Native Memory来代替永久代了。

        虚拟机对方法区规范非常宽松,除了和Java的堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小意外,还可以选择不实现垃圾回收。垃圾回收行为在这个区域比较少见但还是有必要的,主要是针对常量池回收和类型的卸载。

    5.1运行时常量池

        运行时常量池是方法区的一部分,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,运行时常量池相对于类常量池另外一个特性就是具备动态性,运行期间可能将新的常量放入池中。 

     

     

    参考资料:《深入理解Java虚拟机》

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  • 觉得有必要在此之前介绍一下Java虚拟机的相关知识,Java虚拟机也并不是三言两语能够介绍完的,因此开了Java虚拟机系列,这一篇文章我们来学习Java虚拟机的结构原理与运行时数据区域

    前言

    本来计划要写Android内存优化的,觉得有必要在此之前介绍一下Java虚拟机的相关知识,Java虚拟机也并不是三言两语能够介绍完的,因此开了Java虚拟机系列,这一篇文章我们来学习Java虚拟机的结构原理与运行时数据区域。

    1.Java虚拟机概述

    Oracle官方定义的Java技术体系主要包括以下几个部分:

    • Java程序设计语言
    • 各种平台的Java虚拟机
    • Class文件格式
    • Java API类库
    • 第三方Java类库

    可以把Java程序设计语言、Java虚拟机和Java API类库这三部分统称为JDK(Java Development Kit),它是Java程序开发的最小环境。另外,Java API中的Java SE API子集和Java虚拟机这两部分统称为JRE(Java Runtime Environment),它是Java程序运行的标准环境。
    从上面可以看出Java虚拟机及其重要,它是整个Java平台的基石,是Java语言编译代码的运行平台。你可以把Java虚拟机看做一个抽象的计算机,它有各种指令集和各种运行时数据区域。

    1.1 Java虚拟机家族

    很多同学可能认为Java虚拟机,就是一个虚拟机而已,它还有家族?或者认为Java虚拟机指的就是Oracle的HotSpot虚拟机。这里来简单介绍Java虚拟机家族,自从1996年Sun公司发布的JDK1.0中包含的Sun Classic VM到今天,出现和消亡了很多种虚拟机,我们这里只简单介绍目前存活的相对主流Java虚拟机。

    HotSpot VM
    Oracle JDK和OpenJDK中自带的虚拟机,是最主流的和使用范围最广的Java虚拟机。介绍Java虚拟机的技术文章,如果不做特殊说明,大部分都是介绍HotSpot VM的。HotSpot VM并非是Sun公司开发的,而是由Longview Technologies这家小公司设计的,它在1997年被Sun公司收购,Sun公司又在2009年被Oracle收购。
    J9 VM
    J9 VM 是IBM开发的VM,目前是其主力发展的Java虚拟机。J9 VM的市场定位和HotSpot VM接近,它是一款设计上从服务端到桌面应用再到嵌入式都考虑到的多用途虚拟机,目前J9 VM的性能水平大致跟HotSpot VM是一个档次的。
    Zing VM
    以Oracle的HotSpot VM为基础,改进了许多会影响延迟的细节。最大的三个卖点是:

    • 1.低延迟,“无暂停”的C4 GC,GC带来的暂停可以控制在10ms以下的级别,支持的Java堆大小可以到1TB;
    • 2.启动后快速预热功能。
    • 3.可管理性:零开销、可在生产环境全时开启的、整合在JVM内的监控工具Zing Vision。

    1.2 Java虚拟机执行流程

    当我们执行一个Java程序时,它的执行流程是怎样的呢?如下图所示。

    Java程序执行流程(2).png

    从上图可以看到Java虚拟机与java语言没有什么必然联系,它只与特定的二进制文件:Class文件有关。

    2.Java虚拟机结构

    这里所讲的体系结构,是指的Java虚拟机的抽象行为,而不是具体的比如HotSpot VM的实现。按照Java虚拟机规范,抽象的Java虚拟机如下图所示。

    Java虚拟机体系结构(3).png

    2.1 Class文件格式

    Java文件被编译后生成了Class文件,这种二进制格式文件不依赖于特定的硬件和操作系统。每一个Class文件中都对应着唯一一个类或者接口的的定义信息,但是类或者接口并不一定定义在文件中,比如类和接口可以通过类加载器来直接生成。

    ClassFile的文件结构如下所示。

    ClassFile {
        u4 magic;                                     //魔数,固定值为0xCAFEBABE,用来判断当前文件是能被Java虚拟机处理的Class文件
        u2 minor_version;                             //副版本号
        u2 major_version;                             //主版本号
        u2 constant_pool_count;                       //常量池计数器
        cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; //常量池
        u2 access_flags;                              //类和接口层次的访问标志
        u2 this_class;                                //类索引
        u2 super_class;                               //父类索引
        u2 interfaces_count;                          //接口计数器
        u2 interfaces[interfaces_count];              //接口表
        u2 fields_count;                              //字段计数器
        field_info fields[fields_count];              //字段表
        u2 methods_count;                             //方法计数器
        method_info methods[methods_count];           //方法表
        u2 attributes_count;                          //属性计数器
        attribute_info attributes[attributes_count];  //属性表
    }

    2.2 类加载器子系统

    类加载器子系统通过多种类加载器来查找和加载Class文件到 Java 虚拟机中。Java虚拟机有两种类加载器:系统加载器和用户自定义加载器。其中系统加载器包括以下三种:

    • 引导类加载器(Bootstrap Class Loader):用C/C++代码实现的加载器,用以加载Java虚拟机运行时所需要的系统类,这些系统类在{JRE_HOME}/lib目录下。Java虚拟机的启动就是通过引导类加载器创建一个初始类来完成的。由于类加载器是使用平台相关的底层C/C++语言实现的, 所以该加载器不能被Java代码访问到。但是,我们可以查询某个类是否被引导类加载器加载过。引导类装载器并不继承java.lang.ClassLoader。
    • 扩展类加载器(Extensions Class Loader):用于加载 Java 的拓展类 ,拓展类一般会放在 {JRE_HOME}/lib/ext/ 目录下,用来提供除了系统类之外的额外功能。
    • 应用程序类加载器(Application Class Loader):该类加载器是用于加载用户代码,是用户代码的入口。应用类加载器将拓展类加载器当成自己的父类加载器,当尝试加载类的时候,首先尝试让拓展类加载器加载,如果拓展类加载器加载成功,则直接返回加载结果Class instance,如果加载失败,则会询问引导类加载器是否已经加载了该类,如果没有,应用类加载器才会尝试自己加载。

    用户自定义加载器,则是通过继承 java.lang.ClassLoader类的方式来实现自己的类加载器。
    类加载器子系统除了要加载Class文件类到 Java 虚拟机中,还必须负责验证被导入的Class类的正确性,为类变量分配并初始化内存,以及帮助解析符号引用。这些动作必须严格按以下顺序进行:

    1.装载:查找并加载Class文件。
    2.链接:验证、准备、以及解析。

    • 验证:确保被导入类型的正确性。
    • 准备:为类的静态字段分配字段,并用默认值初始化这些字段。
    • 解析:根据运行时常量池的符号引用来动态决定具体值得过程。

    3.初始化:将类变量初始化为正确初始值。

    2.3 数据类型

    Java虚拟机与Java语言的数据类型相似,可以分为两类:基本类型和引用类型。Java虚拟机希望编译器在编译期间尽可能的完成类型检查,使得虚拟机在运行期间无需进行类型检查操作。

    2.4 运行时数据区域

    很多人将Java的内存分为堆内存(heap)和栈内存(Stack),这种分发不够准确,Java的内存区域划分实际上远比这复杂。
    Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为不同的数据区域,根据《Java虚拟机规范(Java SE7版)》的规定,这些数据区域分别为程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、Java堆和方法区,下面我们来一一的对它们进行介绍。

    2.4.1 程序计数器

    为了保证程序能够连续地执行下去,处理器必须具有某些手段来确定下一条指令的地址,而程序计数器正是起到这种作用。
    程序计数器(Program Counter Register)也叫做PC寄存器,是一块较小的内存空间。在虚拟机概念模型中,字节码解释器工作时就是通过改变程序计数器来选取下一条需要执行的字节码指令,Java虚拟机的多线程是通过轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的,在一个确定的时刻只有一个处理器执行一条线程中的指令,为了在线程切换后能恢复到正确的执行位置,每个线程都会有一个独立的程序计数器,因此,程序计数器是线程私有的。如果线程执行的方法不是Native方法,则程序计数器保存正在执行的字节码指令地址,如果是Native方法则程序计数器的值则为空(Undefined)。程序计数器是Java虚拟机规范中唯一没有规定任何OutOfMemoryError情况的数据区域。

    2.4.2 Java虚拟机栈

    每一条Java虚拟机线程都有一个线程私有的Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)。它的生命周期与线程相同,与线程是同时创建的。Java虚拟机栈存储线程中Java方法调用的状态,包括局部变量、参数、返回值以及运算的中间结果等。一个Java虚拟机栈包含了多个栈帧,一个栈帧用来存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。当线程调用一个Java方法时,虚拟机压入一个新的栈帧到该线程的Java栈中,当该方法执行完成,这个栈帧就从Java栈中弹出。我们平常所说的栈内存(Stack)指的就是Java虚拟机栈。
    Java虚拟机规范中定义了两种异常情况:

    • 如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机所允许的的最大容量,Java虚拟机会抛出StackOverflowError。
    • 如果Java虚拟机栈可以动态扩展(大部分Java虚拟机都可以动态扩展),但是扩展时无法申请到足够的内存,或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的Java虚拟机栈,则会抛出OutOfMemoryError异常。
    2.4.3 本地方法栈

    Java虚拟机实现可能要用到C Stacks来支持Native语言,这个C Stacks就是本地方法栈(Native Method Stack)。它与Java虚拟机栈类似,只不过本地方法栈是用来支持Native方法服务。如果Java虚拟机不支持Native方法,并且也不依赖于C Stacks,可以无需支持本地方法栈。在Java虚拟机规范中对本地方法栈的语言和数据结构等没有强制规定,因此具体的Java虚拟机可以自由实现它,比如HotSpot VM将本地方法栈和Java虚拟机栈合二为一。
    与Java虚拟机栈类似,本地方法栈也会抛出 StackOverflowError和OutOfMemoryError异常

    2.4.4 Java堆

    Java堆(Java Heap)是被所有线程共享的运行时内存区域。Java堆用来存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。Java堆存储的对象被垃圾收集器管理,这些受管理的对象无需也无法显示的销毁。从内存回收的角度,Java堆可以粗略的分为新生代和老年代。从内存分配的角度Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区。不管如何划分,Java堆存储的内容是不变的,进行划分是为了能更快的回收或者分配内存。
    Java堆的容量可以时固定的,也可以动态的扩展。Java堆的所使用的内存在物理上不需要连续,逻辑上连续即可。
    Java虚拟机规范中定义了一种异常情况:

    • 如果在堆中没有足够的内存来完成实例分配,并且堆也无法进行扩展时,则会抛出OutOfMemoryError异常。
    2.4.5 方法区

    方法区(Method Area)是被所有线程共享的运行时内存区域。用来存储已经被Java虚拟机加载的类的结构信息,包括:
    运行时常量池、字段和方法信息、静态变量等数据。方法区是Java堆的逻辑组成部分,它一样在物理上不需要连续,并且可以选择在方法区中不实现垃圾收集。方法区并不等同于永久代,只是因为HotSpot VM使用永久代来实现方法区,对于其他的Java虚拟机,比如J9和JRockit等,并不存在永久代概念。
    Java虚拟机规范中定义了一种异常情况:

    • 如果方法区的内存空间不满足内存分配需求时,Java虚拟机会抛出OutOfMemoryError异常。

    运行时常量池
    运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。在2.1 Class文件格式这一小节中我们得知,Class文件不仅包含了类的版本、接口、字段和方法等信息,还包含了常量池,它用来存放编译时期生成的字面量和符号引用,这些内容会在类加载后存放在方法区的运行时常量池中。运行时常量池可以理解为是类或接口的常量池的运行时表现形式。
    Java虚拟机规范中定义了一种异常情况:
    当创建类或接口时,如果构造运行时常量池所需的内存超过了方法区所能提供的最大值,Java虚拟机会抛出OutOfMemoryError异常。

    参考资料
    《深入理解Java虚拟机 第二版》
    《Java虚拟机规范(Java SE7版)》
    理解Java虚拟机体系结构
    目前主流的 Java 虚拟机有哪些?-知乎
    jvm运行时数据区域解析
    Java虚拟机原理图解
    深入探讨 Java 类加载器


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