JVM內存模型

JAVA的主要特點是其著名的WOTA(write once, run anywhere)：“編寫一次，隨處運行”。為了應用它，Sun Microsystems創建了Java虛擬機，這是對底層OS的抽象，它解釋了編譯的Java代碼。該JVM是JRE（Java運行環境）的核心組件，創建運行Java代碼，但現在所使用的其他語言有（Scala、Groovy、JRuby）。

在本文中，我將重點介紹JVM規范中描述的Runtime Data Areas。這些區域旨在存儲程序或JVM本身使用的數據。首先，我將概述JVM，然后是什么字節碼，并以不同的數據區域結尾。

JVM整體概況

JVM是底層OS的抽象。它確保無論JVM在什么硬件或操作系統上運行，相同的代碼都將以相同的行為運行。例如：

• 無論JVM是在16位/ 32位/ 64位OS上運行的，原始類型int的大小始終是從-2 ^ 31到2 ^ 31-1的32位有符號整數。

• 無論底層的OS /硬件是big-endian還是little-endian，每個JVM都以大端順序（高字節在前）存儲和使用內存中的數據。
  注意：有時，一個JVM實現的行為與另一個不同，但通常是相同的。
  
  該圖概述了JVM：

• JVM 解釋由編譯類的源代碼產生的字節碼。盡管術語JVM代表“ Java虛擬機”，但它可以運行其他語言，例如scala或groovy，只要它們可以編譯成Java字節碼即可。

• 為了避免磁盤I / O，字節碼由運行時數據區之一中的類加載器加載到JVM 中。此代碼將保留在內存中，直到JVM停止運行或銷毀（加載了它的）類加載器為止。

• 然后，加載的代碼由執行引擎解釋并執行。

• 執行引擎需要存儲數據，例如指向正在執行的代碼的指針的指針。它還需要存儲- 在開發人員代碼中處理的數據。

• 執行引擎還負責處理底層操作系統。

注意：許多JVM實現的執行引擎不是總是解釋字節碼，而是將字節碼編譯為本地代碼（如果經常使用的話）。它稱為即時（JIT）編譯，可大大加快JVM的速度。編譯后的代碼是臨時保存在通常稱為“代碼緩存”的區域中的 。由于該區域不在JVM規范中，因此在本文的其余部分中將不再討論。

基于堆棧的架構

JVM使用基于堆棧的體系結構。盡管它對于開發人員是不可見的，但它對生成的字節碼和JVM體系結構具有巨大的影響，這就是為什么我將簡要解釋該概念。

JVM通過執行Java字節碼中描述的基本操作來執行開發人員的代碼（我們將在下一章中看到）。操作數是指令對其進行操作的值。根據JVM規范，這些操作要求參數通過稱為操作數棧的棧傳遞。

例如，讓我們對2個整數進行基本加法。該操作被稱為ADD。如果要在字節碼中添加3和4：

• 他首先在操作數堆棧中壓入3和4。
• 然后調用add指令。
• add將彈出操作數堆棧的最后2個值。
• 將int結果（3 + 4）壓入操作數堆棧，以供其他操作使用。

這種功能方式稱為基于堆棧的體系結構。還有其他處理基本操作的方法，例如，基于寄存器的體系結構將操作數存儲在較小的寄存器中，而不是堆棧中。臺式機/服務器（x86）處理器和以前的android虛擬機Dalvik使用基于寄存器的體系結構。

字節碼

由于JVM會解釋字節碼，因此在深入了解字節碼之前很有用。

Java字節碼是轉換為一組基本操作的Java源代碼。每個操作由代表執行指令的一個字節（稱為操作碼或操作代碼）以及用于傳遞參數的零個或多個字節組成（但大多數操作使用操作數堆棧來傳遞參數）。在256種可能的1字節長的 操作碼（十六進制從0x00到0xFF的值）中，204在Java8規范中正在使用。

這是字節碼操作的不同類別的列表。對于每個類別，我都添加了一個簡短的描述和操作碼的十六進制范圍：

• 常量：用于將常量池中的值（我們將在后面介紹）或將已知值中的值推入操作數堆棧中。從值0x00到0x14
• 加載：用于將局部變量的值加載到操作數堆棧中。從值0x15到0x35
• 存儲：用于從操作數堆棧存儲到局部變量。從值0x36到0x56
• 堆棧：用于處理操作數堆棧。從值0x57到0x5f
• Math：對操作數堆棧中的值進行基本數學運算。從值0x60到0x84
• 轉換：用于從一種類型轉換為另一種類型。從值0x85到0x93
• 比較：用于兩個值之間的基本比較。從值0x94到0xa6
• 控制：諸如goto，return等基本操作，允許進行更高級的操作，例如循環或返回值的函數。從值0xa7到0xb1
• 引用：用于分配對象或數組，獲取或檢查對象，方法或靜態方法的引用。也用于調用（靜態）方法。從值0xb2到0xc3
• 擴展：之后添加的其他類別的操作。從值0xc4到0xc9
• 保留：供每個Java虛擬機實現內部使用。3個值：0xca，0xfe和0xff。

這204個操作非常簡單，例如：

• 操作數ifeq（0x99）檢查2個值是否相等
• add操作數（0x60）將2個值相加
• 操作數2l（0x85）將整數轉換為long
• 操作數arraylength（0xbe）給出數組的大小
• 操作數pop（0x57）從操作數堆棧中彈出第一個值

要創建字節碼，需要一個編譯器，JDK中包含的標準java編譯器是javac。

讓我們看一下簡單的添加：

public class Test {public static void main(String[] args) {int a =1;int b = 15;int result = add(a,b);}public static int add(int a, int b){int result = a + b;return result;} }

“ javac Test.java”命令在Test.class中生成一個字節碼。由于Java字節碼是二進制代碼，因此人類無法讀取。Oracle在其JDK javap中提供了一個工具，該工具可以將二進制字節碼轉換為JVM規范中易于閱讀的帶有 標簽的操作碼集。

命令“ javap -verbose Test.class”給出以下結果：

Classfile /C:/TMP/Test.classLast modified 1 avr. 2015; size 367 bytesMD5 checksum adb9ff75f12fc6ce1cdde22a9c4c7426Compiled from "Test.java" public class com.codinggeek.jvm.TestSourceFile: "Test.java"minor version: 0major version: 51flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER Constant pool:#1 = Methodref #4.#15 // java/lang/Object."<init>":()V#2 = Methodref #3.#16 // com/codinggeek/jvm/Test.add:(II)I#3 = Class #17 // com/codinggeek/jvm/Test#4 = Class #18 // java/lang/Object#5 = Utf8 <init>#6 = Utf8 ()V#7 = Utf8 Code#8 = Utf8 LineNumberTable#9 = Utf8 main#10 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V#11 = Utf8 add#12 = Utf8 (II)I#13 = Utf8 SourceFile#14 = Utf8 Test.java#15 = NameAndType #5:#6 // "<init>":()V#16 = NameAndType #11:#12 // add:(II)I#17 = Utf8 com/codinggeek/jvm/Test#18 = Utf8 java/lang/Object {public com.codinggeek.jvm.Test();flags: ACC_PUBLICCode:stack=1, locals=1, args_size=10: aload_01: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V4: returnLineNumberTable:line 3: 0public static void main(java.lang.String[]);flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATICCode:stack=2, locals=4, args_size=10: iconst_11: istore_12: bipush 154: istore_25: iload_16: iload_27: invokestatic #2 // Method add:(II)I10: istore_311: returnLineNumberTable:line 6: 0line 7: 2line 8: 5line 9: 11public static int add(int, int);flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATICCode:stack=2, locals=3, args_size=20: iload_01: iload_12: iadd3: istore_24: iload_25: ireturnLineNumberTable:line 12: 0line 13: 4 }

可讀的.class表明字節碼不僅僅包含Java源代碼的簡單轉錄。它包含了：

• 類的常量池的描述。常量池是JVM的數據區域之一，用于存儲有關類的元數據，例如方法的名稱，其參數……在JVM中加載類時，此部分將進入常量池。
• 諸如LineNumberTable或LocalVariableTable之類的信息，用于指定函數的位置（以字節為單位）及其字節碼中的變量。
• 開發人員的Java代碼（加上隱藏的構造函數）的字節碼形式。
• 處理操作數堆棧的特定操作，以及更廣泛地傳遞和獲取參數的方式。

僅供參考，這是對存儲在.class文件中的信息的簡要說明：

ClassFile {u4 magic;u2 minor_version;u2 major_version;u2 constant_pool_count;cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];u2 access_flags;u2 this_class;u2 super_class;u2 interfaces_count;u2 interfaces[interfaces_count];u2 fields_count;field_info fields[fields_count];u2 methods_count;method_info methods[methods_count];u2 attributes_count;attribute_info attributes[attributes_count]; }

運行時數據區

運行時數據區是旨在存儲數據的內存中區域。這些數據由開發人員的程序或JVM用于內部工作。

此圖顯示了JVM中不同運行時數據區域的概述。每個線程的某些區域是唯一的。

堆

堆是在所有Java虛擬機線程之間共享的內存區域。它是在虛擬機啟動時創建的。所有類實例和數組都在堆中分配（使用new運算符）。

MyClass myVariable = new MyClass(); MyClass[] myArrayClass = new MyClass[1024];

當不再使用開發人員分配的實例時，必須由垃圾收集器 來管理該區域。清理內存的策略取決于JVM實現（例如，Oracle Hotspot提供了多種算法）。

堆可以動態擴展或收縮，并且可以具有固定的最小和最大大小。例如，在Oracle Hotspot中，用戶可以通過以下方式用Xms和Xmx參數指定堆的最小大小：“ java -Xms = 512m -Xmx = 1024m…”。

注意：堆不能超過最大限制。如果超出此限制，JVM將拋出OutOfMemoryError。

方法范圍

方法區域是所有Java虛擬機線程之間共享的內存。它是在虛擬機啟動時創建的，并由類加載器從字節碼加載。只要加載它們的類加載器處于活動狀態，方法區域中的數據就會保留在內存中。

方法區域存儲：

• 類信息（字段/方法的數量，超類名稱，接口名稱，版本等）
• 方法和構造函數的字節碼。
• 每個類加載的運行時常量池。

規范不強制在堆中實現方法區域。例如，在JAVA7之前，Oracle HotSpot使用一個名為PermGen的區域來存儲“方法區域”。該PermGen與Java堆（以及由JVM像堆一樣由JVM管理的內存）是連續的，并且被限制為默認空間64M（由參數-XX：MaxPermSize修改）。從Java 8開始，HotSpot現在將“方法區域”存儲在稱為Metaspace的分離的本機內存空間中，最大可用空間是總可用系統內存。

注意：方法區域不能超過最大限制。如果超出此限制，JVM將拋出OutOfMemoryError。

運行時常量池

該池是“方法區域”的子部分。由于它是元數據的重要組成部分，因此Oracle規范描述了“方法區域”之外的運行時常量池。對于每個加載的類/接口，此常量池都會增加。該池就像常規編程語言的符號表。換句話說，當引用一個類，方法或字段時，JVM使用運行時常量池在內存中搜索實際地址。它還包含常量值，例如字符串文字或常量圖元。

String myString1 = “This is a string litteral”; static final int MY_CONSTANT=2;

pc寄存器（程序計數器）

每個線程都有自己的pc（程序計數器）寄存器，與該線程同時創建。在任何時候，每個Java虛擬機線程都在執行單個方法的代碼，即該線程的當前方法。pc寄存器包含當前正在執行的Java虛擬機指令的地址（在方法區域中）。

注意：如果線程當前正在執行的方法是本機的，則Java虛擬機的pc寄存器的值是未定義的.Java虛擬機的pc寄存器足夠寬，可以在特定平臺上保存returnAddress或本機指針。

Java虛擬機堆棧（每個線程）

堆棧區域存儲多個幀，因此在討論堆棧之前，我將介紹這些幀。

棧

棧是一種數據結構，其中包含多個數據，這些數據表示當前方法（正在調用的方法）中線程的狀態：

• 操作數堆棧：在基于堆棧的體系結構一章中，我已經介紹了操作數堆棧。字節碼指令使用此堆棧來處理參數。此堆棧還用于在（java）方法調用中傳遞參數，并在調用方法的堆棧頂部獲取被調用方法的結果。
• 局部變量數組：此數組包含當前方法范圍內的所有局部變量。該數組可以保存基本類型，引用或returnAddress的值。該數組的大小是在編譯時計算的。Java虛擬機使用局部變量在方法調用時傳遞參數，被調用方法的數組是從調用方法的操作數堆棧中創建的。
• 運行時常量池引用：引用正在執行的當前方法的當前類的常量池。JVM使用它將符號方法/變量引用（例如myInstance.method（））轉換為實內存引用。
  堆
  每個Java虛擬機線程都有一個私有Java虛擬機堆棧，與該線程同時創建。Java虛擬機堆棧存儲框架。每次調用方法時，都會創建一個新框架并將其放入堆棧中。框架的方法調用完成時，無論該完成是正常的還是突然的（它引發未捕獲的異常），它都會被銷毀。

給定線程中的任何一點都只有一個框架（用于執行方法的框架）處于活動狀態。該幀稱為當前幀，其方法稱為當前方法。定義當前方法的類是當前類。局部變量和操作數堆棧上的操作通常參考當前幀。

讓我們看下面的示例，它是一個簡單的加法

public int add(int a, int b){return a + b; }public void functionA(){ // some code without function callint result = add(2,3); //call to function B // some code without function call }

當functionA（）在其上運行時，這是它在JVM內部的工作方式：

在functionA（）內部，框架A是堆棧框架的頂部，并且是當前框架。在內部調用add（）的開始處，將新框架（框架B）放入堆棧中。幀B成為當前幀。通過彈出幀A的操作數堆棧來填充幀B的局部變量數組。add（）完成后，幀B被銷毀，幀A再次成為當前幀。add（）的結果放在框架A的操作數堆棧上，以便functionA（）可以通過彈出其操作數堆棧來使用它。

注意：此堆棧的功能使其可以動態擴展和收縮。有一個堆棧不能超過的最大大小，這限制了遞歸調用的數量。如果超出此限制，則JVM拋出 StackOverflowError。

使用Oracle HotSpot，可以使用參數-Xss指定此限制。

本機方法堆棧（每個線程）

這是用非Java語言編寫并通過JNI（Java本機接口）調用的本機代碼的堆棧。由于它是一個“本機”堆棧，因此該堆棧的行為完全取決于基礎操作系統。

結論

我希望本文能幫助您更好地了解JVM。我認為，最棘手的部分是JVM堆棧，因為它與JVM的內部功能緊密相關。
本文來源：JVM內存模型

總結

以上是生活随笔為你收集整理的详细分析JVM内存模型的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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