【JVM】（一）深入理解JVM运行时数据区

ゝ一纸荒年。 2023-10-14 10:46 53阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  一、JVM 运行流程
 *  二、虚拟机栈（线程私有）
 *  三、本地方法栈 （线程私有）
 *  四、方法区（元数据区）
 *  五、堆（线程共享）
 *  六、程序计数器（线程私有）

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# 一、JVM 运行流程 #

JVM 是 Java 程序的运行基础和运行环境，同时也是 Java 实现 `"一次编译，到处运行"` 的关键所在。因此，深入了解 JVM 对于学习和理解 Java 编程语言是至关重要的，那么JVM 到底是如何运行的呢？

**下面这张图片展示了 JVM 的基本运行过程：**  
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**JVM的执行过程涉及以下主要组成部分：：**

1.  **Java 代码转换为字节码（`.class`文件）**：编写完成后的 Java 源代码需要通过 Java 编译器编译为字节码，生成 `.class` 文件，这些文件包含了 Java 程序的中间代码。
2.  **类加载器（ClassLoader）**：JVM 的类加载器负责将 `.class` 字节码文件加载到内存中的`运行时数据区`。**类加载器根据类的全限定名（Fully Qualified Name）查找并加载对应的字节码文件，并根据文件内容创建 Class 对象来代表这个类，以供后续的执行引擎调用**。
3.  **运行内存管理**：JVM负责管理程序运行时的内存区域，主要包括以下几个区域：
    
     *  **虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）**：用于存储方法调用的栈帧，包含局部变量、操作数栈等。
     *  **本地方法栈（Native Method Stacks）**：用于执行本地方法的栈。
     *  **方法区（Method Area）**：存储类的结构信息、常量池、静态变量等。
     *  **堆（Heap）**：存储对象实例和数组的内存区域。
     *  **程序计数器（Program Counter）**：记录当前线程执行的字节码指令的地址或索引。
4.  **执行引擎（Execution Engine）**：**执行引擎是 JVM 的核心组件之一，负责执行加载到内存中的字节码文件**。执行引擎有两种方式执行字节码：
    
     *  **解释执行**：**逐条解释字节码指令并执行相应的操作**。解释执行效率较低，但跨平台性好，适用于刚开始执行的代码段或是执行次数较少的代码段。
     *  **编译执行**：**将字节码编译成特定平台的本地代码，然后交由CPU执行**。编译执行效率高，但需要额外的编译时间，适用于执行次数频繁的代码段。
5.  **本地方法库（Native Libraries）**：JVM 中的 Java 代码无法直接访问底层操作系统，因为字节码只是一套跨平台的指令集规范。**当 Java 代码需要执行底层操作系统或与本地代码（如C、C++）进行交互的时候。就需要通过本地方法库来实现这些功能**。本地方法库允许 Java 程序调用与操作系统相关的本地代码，从而实现整个程序的功能。

以上就是 JVM 的主要运行过程以及运行时涉及的组成部分，`下文是对其中的运行时数据区的详细介绍。`

# 二、虚拟机栈（线程私有） #

**虚拟机栈是 Java 线程私有的内存区域，用于存储线程的方法调用和局部变量等信息**。虚拟机栈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：

*  每个方法在执行的时候都会创建一个栈帧（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。
 *  当方法结束的时候，响应的栈帧也会因为出栈而销毁。

**虚拟机栈主要包含四个部分：**

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1.  **局部变量表**：**用于存储方法的局部变量**。在Java方法执行时，它会分配一块内存区域，用于存储方法参数和方法内部定义的局部变量。局部变量表的大小在编译期间就被确定，存储的数据类型包括基本数据类型和对象引用。
2.  **操作栈**：**用于执行方法时的计算操作**。Java虚拟机的字节码指令通常都是基于操作数栈进行运算的。当一个方法被调用时，会将参数值和返回值等压入操作数栈，在方法执行时，字节码指令会从操作数栈中取值进行计算。
3.  **动态链接**：**用于指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用**。在Java虚拟机的运行时常量池中，存放着每个类的方法的符号引用，动态链接将这些符号引用与实际内存地址进行关联。
4.  **方法返回地址**：**用于指示方法的返回地址**。当方法执行完成后，需要知道从哪里继续执行，方法返回地址就是用来记录返回的目标地址。

> **什么是线程私有：**
> 
>  *  线程私有是指在多线程环境下，每个线程都拥有自己独立的内存区域，其他线程无法直接访问或修改该区域。线程私有内存中的数据对于每个线程都是独立的，互不影响。这种设计使得多线程程序可以同时执行，每个线程都能够独立地运行和维护自己的数据。
>  *  **在JVM中，`虚拟机栈`、`本地方法栈`和`程序计数器`是线程私有的内存区域**。每个线程都有自己的虚拟机栈和本地方法栈，用于支持方法调用和执行，并且这些栈的数据对其他线程是不可见的。程序计数器也是线程私有的，每个线程都有自己的程序计数器，用于指示当前线程执行的字节码指令的地址或索引。线程的切换时，会保存和恢复程序计数器的值，以保证线程切换后能正确继续执行。
>  *  其他共享内存区域如`堆`和`方法区（元空间）`是线程共享的。**堆用于存储Java对象实例和数组，方法区用于存储类的结构信息、常量池、静态变量等**。多个线程可以共同访问堆和方法区的数据，因此在多线程环境下，需要通过同步机制来保护共享数据的一致性和正确性。
>  *  **内存区域按线程私有和共享的划分：**  
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# 三、本地方法栈 （线程私有） #

本地方法栈与虚拟机栈类似，也是 Java 线程私有的内存区域。它**用于支持 Java 程序调用和执行本地方法（Native Method）**。本地方法是使用其他语言（如C、C++）编写的方法，通过本地方法接口（JNI，Java Native Interface）与 Java 代码进行交互。本地方法栈和虚拟机栈在功能上也是类似的，但它们分别用于 Java 方法和本地方法的调用。

# 四、方法区（元数据区） #

方法区是 Java 线程**共享的内存区域**，用于**存储类的结构信息、常量池、静态变量、即时编译器编译后的代码等**。在 JDK 8 及以前版本，方法区是`永久代（Permanent Generation）`；而在 JDK 8 及以后版本，方法区被替换为`元空间（Metaspace）`。方法区的大小可以通过启动JVM 时的参数来设置。

> 在《Java虚拟机规范中》把此区域称之为 “方法区”，而在 HotSpot 虚拟机的实现中，在 JDK 7 时此区域叫做永久代（Permanent Generation），JDK 8 中叫做元空间（Metaspace）。

> **JDK 1.8 元空间的变化：**

1.  对于 HotSpot 来说，JDK 8 元空间的内存属于本地内存，这样元空间的大小就不在受 JVM 最大内存的参数影响了，而是与本地内存的大小有关。
2.  JDK 8 中将字符串常量池移动到了堆中。

> **运行时常量池：**

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存放在编译期间生成的各种字面量和符号引用。它是在类加载过程中，由虚拟机根据字节码文件中的常量池表构建而成。

**在运行时常量池中，主要包含两种类型的数据：**

1.  **字面量**：
    
     *  字符串字面量：即Java程序中直接写的字符串值，例如：“Hello, Java”。在JDK 8中，字符串字面量被移动到堆中，这样它们也可以被垃圾收集器回收，避免了一些内存问题。
     *  `final`常量：在编译期间可以确定的`final`常量，例如：`final int MAX_VALUE = 100;`。
     *  基本数据类型的值：例如：整数、浮点数、字符等基本数据类型的字面量。
2.  **符号引用**：  
    符号引用是一种在编译期间产生的、但在类加载阶段需要用到的一种数据结构，它用于描述被引用的目标。符号引用包括：
    
     *  类和接口的完全限定名：例如：`java.lang.String`。
     *  字段的名称和描述符：用于描述字段的名称和数据类型，例如：`int count`。
     *  方法的名称和描述符：用于描述方法的名称和参数列表以及返回值类型，例如：`void print(String message)`。

运行时常量池在类加载后，会存放在方法区中，并且在整个类的生命周期中存在，与类本身一起被回收。它在程序运行时提供了常量池解析、动态链接、方法调用等功能，为 Java 程序的执行提供了必要的支持。

# 五、堆（线程共享） #

堆（Heap）**是 Java 虚拟机中的一个运行时数据区域，用于存储Java对象实例和数组**。堆是JVM中**最大的一块内存区域**，也是唯一被所有线程共享的内存区域。

在Java程序运行过程中，当使用`new`关键字创建对象时，对象实例会被分配在堆中。同时，数组也是对象，因此数组的元素也会存储在堆中。堆的大小可以在启动 JVM 时通过参数来指定，也可以动态调整（如果未指定大小，则JVM会根据系统内存自动设置初始大小）。

**堆的主要特点包括：**

1.  **线程共享**：堆是所有线程共享的内存区域。所有线程都可以访问堆中的对象实例，这使得多个线程可以共同操作和共享对象。
2.  **动态分配和回收**：堆的大小在程序运行时是可以动态调整的。当创建对象时，JVM会自动分配堆中的内存空间。当对象不再被引用时，垃圾收集器会自动回收堆中不再使用的对象的内存。
3.  **垃圾回收**：堆中的内存由垃圾收集器负责管理。垃圾收集器会周期性地检查堆中的对象，将不再被引用的对象标记为垃圾，然后回收这些垃圾对象的内存，释放给堆供其他对象使用。
4.  **自动内存管理**：Java 中的堆内存由 JVM 自动进行内存管理，程序员不需要手动释放内存。JVM 会自动进行垃圾回收，释放不再使用的内存，避免了内存泄漏等问题。

**另外，在Java虚拟机的堆内存中，通常被划分为两个主要区域：`新生代（Young Generation）`和`老生代（Old Generation）`**。

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1.  **新生代（Young Generation）**：  
    **新生代是存放新创建的对象的区域**。在新生代中，通常会将堆内存划分为一个Eden空间和两个Survivor空间（通常称为S0和S1）。新创建的对象首先会被分配到Eden空间。当Eden空间满时，会触发Minor GC（Young GC），垃圾回收器会将Eden空间和其中还存活的对象复制到一个未使用的Survivor空间中。然后，垃圾回收器会清除Eden空间和正在使用的Survivor空间，将其中的垃圾对象回收。幸存下来的对象会被晋升到老生代。
2.  **老生代（Old Generation）**：  
    **老生代是存放长时间存活的对象的区域**。老生代中存放的对象通常是在新生代经过一定次数的Minor GC后仍然存活的对象，或者是大对象等。当老生代空间满时，会触发Major GC（Full GC），垃圾回收器会对整个堆进行回收，包括新生代和老生代的所有对象。

通过将堆内存分为新生代和老生代，并采用不同的垃圾回收策略，可以提高垃圾回收的效率。新生代中的Minor GC频繁进行，回收生命周期短的对象，尽可能快速地释放内存；而老生代中的Major GC则相对较少进行，回收生命周期长的对象，保证了老生代的稳定性和可靠性。

# 六、程序计数器（线程私有） #

程序计数器也是 Java 线程私有的内存区域。**它是一种指示器，用于指示当前线程执行的`字节码指令的地址或索引`**。在Java线程切换时，**程序计数器的值会被保存和恢复，以保证线程切换后能正确继续执行**。

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