Java虚拟机基础知识（一）：虚拟机基本结构总结

浅浅的花香味﹌ 2022-05-21 11:41 260阅读 0赞

# 1.java虚拟机基本结构示意图 #

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## 1.1 类加载子系统： ##

## 类加载子系统负责从文件系统或者网络中加载Class信息，加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。 ##

## 1.2 方法区： ##

##  ##

和堆一样，方法区是一块所有线程共享的内存区域，它用于保存系统的类信息，比如类的字段、方法、常量池等。方法区的大小决定了系统可以保存多少个类，如果系统定义了太多的类，导致方法区的溢出，虚拟机同样会抛出内存溢出错误。

在JDK1.6、JDK1.7中，方法区可以理解为永久区（Perm）。永久区可以使用参数\-XX:PermSize和\-XX:MaxPermSize指定，默认情况下，\-XX:MaxPermSize为64M。一个大的永久区可以保存更多的类信息。如果系统使用了一些动态代理，那么有可能会在运行时生成大量的类，如果这样，就需要设置一个合理的永久区大小，确保不发生永久区内存溢出。

在**JDK1.8**中，永久区已经被彻底移除，取而代之的是元数据区，元数据区大小可以使用参数\-XX:MaxMetaspaceSize指定（一个大的元数据区可以使系统支持更多的类），**这是一块堆外的直接内存**。与永久区不同，如果不指定大小，默认情况下，虚拟机会耗尽所有的可用系统内存。

如果元数据区发生异常，虚拟机一样会抛出异常。

**1.3 堆：**

java堆在虚拟机启动的时候建立，它是java程序最主要的内存工作区域。几乎所有的java对象实例都存放在java堆中。堆空间是所有线程共享的，这是一块与java应用密切相关的内存空间。

java堆是和应用程序关系最为密切的内存空间，几乎所有的对象都存放在堆上。并且java堆是完全自动化管理的，通过垃圾回收机制，垃圾对象会被自动清理，而不需要显示的释放。

根据java回收机制的不同，java堆有可能拥有不同的结构。最为常见的一种构成是将整个java堆分为新生代和老年代。其中新生代存放新生对象或者年龄不大的对象，老年代则存放老年对象。新生代有可能分为eden区、s0区、s1区，s0区和s1区也被称为from和to区，他们是两块大小相同、可以互换角色的内存空间。

如下图：显示了一个堆空间的一般结构：

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补充：对象如何进入老年代？

一般来讲，对象首次创建的时候会被放置在新生代的eden区中，在对象经历一次GC后，会进入到s0或者s1区，在s0或者s1区中的对象“年龄”达到一定的大小，就会自动的离开年轻代进入老年代中，其中“对象的年龄”是由对象经历过得GC次数决定的。对于一个对象而言，在新生代每次GC之后，如果没有被回收则年龄增加1。可以通过-XX：MaxTenuringThreshold设定对象进入老年代的年龄阈值，超过这个阈值，就会进入到老年代中，默认情况为15.

**\*注意：**堆中除了上图划分结构层次外，还存在TLAB（ThreadLocal Allocation Buffer）区域，在下文中将详细介绍该区域的作用，这里需要知道TLAB也是存在于堆上的。

**1.4 直接内存：**

java的NIO库允许java程序使用直接内存。直接内存是在java堆外的、直接向系统申请的内存空间。通常访问直接内存的速度会优于java堆。因此出于性能的考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。由于直接内存在java堆外，因此它的大小不会直接受限于Xmx指定的最大堆大小，但是系统内存是有限的，java堆和直接内存的总和依然受限于操作系统能给出的最大内存。

**1.5 垃圾回收器：**

垃圾回收系统是java虚拟机的重要组成部分，垃圾回收器可以对方法区、java堆和直接内存进行回收。其中，java堆是垃圾收集器的工作重点。和C/C++不同，java中所有的对象空间释放都是隐式的，也就是说，java中没有类似free()或者delete()这样的函数释放指定的内存区域。对于不再使用的垃圾对象，垃圾回收系统会在后台默默工作，默默查找、标识并释放垃圾对象，完成包括java堆、方法区和直接内存中的全自动化管理。

**1.6 栈：**

每一个java虚拟机线程都有一个私有的java栈，一个线程的java栈在线程创建的时候被创建，java栈中保存着帧信息，java栈中保存着局部变量、方法参数，同时和java方法的调用、返回密切相关。

java栈是一块线程私有的内存空间。如果说，java堆和程序数据密切相关，那么java栈就是和线程执行密切相关。线程执行的基本行为是函数调用，每次函数调用的数据都是通过java栈传递的。

java栈与数据结构上的栈有着类似的含义，它是一块先进后出的数据结构，只支持出栈和进栈两种操作，在java栈中保存的主要内容为栈帧。每一次函数调用，都会有一个对应的栈帧被压入java栈，每一个函数调用结束，都会有一个栈帧被弹出java栈。如下图：栈帧和函数调用。函数1对应栈帧1，函数2对应栈帧2，依次类推。函数1中调用函数2，函数2中调用函数3，函数3调用函数4.当函数1被调用时，栈帧1入栈，当函数2调用时，栈帧2入栈，当函数3被调用时，栈帧3入栈，当函数4被调用时，栈帧4入栈。当前正在执行的函数所对应的帧就是当前帧（位于栈顶），它保存着当前函数的局部变量、中间计算结果等数据。

当函数返回时，栈帧从java栈中被弹出，java方法区有两种返回函数的方式，一种是正常的函数返回，使用return指令，另一种是抛出异常。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

在一个栈帧中，至少包含**局部变量表**、**操作数栈**和**帧数据区**几个部分。

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**提示：**由于每次函数调用都会产生对应的栈帧，从而占用一定的栈空间，因此，如果栈空间不足，那么函数调用自然无法继续进行下去。当请求的栈深度大于最大可用栈深度时，系统会抛出StackOverflowError栈溢出错误。

### 局部变量表： ###

局部变量表是栈帧的重要组成部分之一。它用于保存函数的参数以及局部变量，局部变量表中的变量只在当前函数调用中有效，当函数调用结束，随着函数栈帧的弹出销毁，局部变量表也会随之销毁。

由于局部变量表在栈帧之中，因此，如果函数的参数和局部变量很多，会使得局部变量表膨胀，从而每一次函数调用就会占用更多的栈空间，最终导致函数的嵌套调用次数减少。

在相同的栈容量下，局部变量少的函数可以支持更深的函数调用。

栈帧中局部变量表中的槽位是可以重用的，如果一个局部变量过了其作用域，那么在其作用域之后申明的新的局部变量就很有可能会复用过期局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的。

## 操作数栈： ##

操作数栈是栈帧的主要内容之一，它主要用于保存计算过程中的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。操作数栈也是一个先进后出的数据结构，只支持入栈和出栈两种操作，许多java字节码指令都需要通过操作数栈进行参数传递。比如add指令，它就会在操作数栈中弹出两个整数并进行加法计算，计算结果会被入栈，如图：显示了iadd前后操作数栈的变化。

## 帧数据区： ##

除了局部变量表和操作数栈，java栈帧还需要一些数据来支持常量池的解析、正常方法返回和异常处理等。大部分java字节码指令需要进行常量池访问，在帧数据区中保留着访问常量池的指针，方便程序访问常量池。

当方法抛出异常时，虚拟机就会查找对应的异常表来处理，如果无法在异常表中找到合适的处理方法，则会结束当前函数调用，返回调用函数，并在调用函数中抛出相同的异常，并查找调用函数的异常表来进行处理。

**1.7 本地方法栈：**

本地方法栈和java栈非常类似，最大的不同在于java栈用于方法的调用，而本地方法栈则用于本地方法的调用，作为对java虚拟机的重要扩展，java虚拟机允许java直接调用本地方法（通常使用C编写）

**1.8 PC寄存器：**

PC（Program Counter）寄存器也是每一个线程私有的空间，java虚拟机会为每一个java线程创建PC寄存器。在任意时刻，一个java线程总是在执行一个方法，这个正在被执行的方法称为当前方法。如果当前方法不是本地方法，PC寄存器就会指向当前正在被执行的指令。如果当前方法是本地方法，那么PC寄存器的值就是undefined。寄存器存放如当前环境指针，程序计数器，操作栈指针，计算的变量指针等信息。

**1.9 执行引擎：**

执行引擎是java虚拟机的最核心组件之一，它负责执行虚拟机的字节码，现代虚拟机为了提高执行效率，会使用即时编译技术将方法编译成机器码后再执行。

**提示：在java程序员写程序的过程中，一般提及的JVM参数调优指的是对——堆中数据的管理以及回收算法的调整。**

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