JVM 内存模型

前言

JAVA的核心特点是其著名的Write once Run anywhere：“编写一次，随处运行”。为了实现它，Sun Microsystems创建了Java虚拟机，这是对底层OS的抽象，它解释执行了编译后的Java代码。JVM是JRE（Java运行环境）的核心组件。

本文将重点介绍JVM规范中描述的Runtime Data Areas（运行时数据区）。这些区域旨在存储程序或JVM本身使用的数据。首先，我将概述JVM，然后是什么字节码，最后是不同的数据区域的特点。

 概况

JVM是底层OS的抽象。它确保无论JVM在什么硬件或操作系统上运行，相同的代码都将以相同的动作运行。例如：

1. 无论JVM是在16位/ 32位/ 64位OS上运行的，原始类型int的大小始终是从-2 ^ 31到2 ^ 31-1的32位有符号整数。

2. 无论底层的OS /硬件是big-endian还是little-endian，每个JVM都以大端顺序（高字节在前）存储和使用内存中的数据。

注意：有时，一个JVM实现的行为与另一个不同，但通常是相同的。

JVM层次结构图：

JVM 解释（执行）由编译类的源代码产生的字节码。尽管术语JVM代表“ Java虚拟机”，但它可以运行其他语言，例如scala或groovy，只要它们可以编译成Java字节码即可。

为了减少磁盘I / O，字节码由运行时数据区之一中的类加载器加载到JVM 中。此代码将保留在内存中，直到JVM停止运行或销毁（加载了它的）类加载器为止。然后，加载的代码由执行引擎解释并执行。执行引擎需要存储运行时数据，例如指向正在执行的代码的指针。它还需要存储在开发人员代码中处理的数据。执行引擎还负责处理底层操作系统相关的交互。

注意：许多JVM实现的执行引擎不是总是解释字节码，为了提升性能，有时会将字节码编译为本地代码（如果经常使用的话）。它称为即时（JIT）编译，可大大加快JVM的速度。

 基于堆栈的架构

JVM使用基于堆栈的体系结构。尽管它对于开发人员是不可见的，但它对生成的字节码和JVM体系结构具有巨大的影响，这就是为什么我将简要解释该概念。

JVM通过执行Java字节码中描述的基本操作来执行开发人员的代码（我们将在下一章中看到）。操作数是指令对其进行操作的值。根据JVM规范，这些操作要求参数通过称为操作数栈的栈传递。

例如，让我们对2个整数进行基本加法。该操作被称为IADD。如果要在字节码中执行3+4：

他首先在操作数堆栈中压入3和4。

然后调用iadd指令。

iadd将弹出操作数堆栈的最后2个值。

将int结果7（3 + 4）压入操作数堆栈，以供其他操作使用。

这种执行方式称为基于堆栈的体系结构。还有其他处理基本操作的方法，例如，基于寄存器的体系结构：将操作数存储在较小的寄存器中，而不是堆栈中。台式机/服务器（x86）处理器（CPU）和android虚拟机Dalvik使用的就是基于寄存器的体系结构。

字节码

Java字节码是将java源代码编译为为一组基本操作的.class文件。每个操作由代表执行指令的一个字节（称为操作码或操作代码）以及用于传递参数的零个或多个字节组成（但大多数操作使用操作数堆栈来传递参数）。类似CPU指令的操作码和操作数。

以下是字节码的分类列表：

Constant(常量)：用于将常量池中的值（我们将在后面介绍）或将已知值中的值推入操作数堆栈中。从值0x00到0x14

Load(加载)：用于将局部变量的值加载到操作数堆栈中。从值0x15到0x35

Store(存储)：用于从操作数堆栈存储到局部变量。从值0x36到0x56

Stack(堆栈)：用于处理操作数堆栈。从值0x57到0x5f

Math：对操作数堆栈中的值进行基本数学运算。从值0x60到0x84

Convert(转换)：用于从一种类型转换为另一种类型。从值0x85到0x93

Compare(比较)：用于两个值之间的基本比较。从值0x94到0xa6

Control(控制)：诸如goto，return等基本操作，允许进行更高级的操作，例如循环或返回值的函数。从值0xa7到0xb1

Refence(引用)：用于分配对象或数组，获取或检查对象，方法或静态方法的引用。也用于调用（静态）方法。从值0xb2到0xc3

Extension(扩展)：之后添加的其他类别的操作。从值0xc4到0xc9

Reserve(保留)：供每个Java虚拟机实现内部使用。3个值：0xca，0xfe和0xff。

Java 8使用了204个操作码，都非常简单，例如：

操作数ifeq（0x99）检查2个值是否相等

iadd操作数（0x60）将2个值相加

操作数i2l（0x85）将整数转换为long

操作数arraylength（0xbe）给出数组的大小

操作数pop（0x57）从操作数堆栈中弹出第一个值

要创建字节码，需要一个编译器，JDK中包含的标准java编译器是javac。

让我们看一下简单的添加：

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”命令将生成Test.class文件，这个文件就是编译后的字节码。由于Java字节码是二进制代码，因此可读性不好。Oracle在其JDK 中提供了一个工具javap，该工具可以将二进制字节码转换可读性更好的版本。读者可自行尝试。

以下是存储在.class文件中的字节码的各字段的简要说明：

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];

}

运行时数据区

运行时数据区是存储程序运行时数据的内存区域。

下图是JVM中不同运行时数据区域的概述。每个线程的都有独立的栈和pc register。

堆

堆是在所有Java虚拟机线程之间共享的内存区域。它是在虚拟机启动时创建的。所有类实例和数组都在堆中分配（使用new运算符）。

MyClass myVariable = newMyClass();

MyClass[] myArrayClass = newMyClass[1024];

当不再使用分配的实例时，必须由垃圾收集器 来管理该区域。清理内存的策略取决于JVM实现（例如，Oracle Hotspot提供了多种算法）。

堆可以动态扩展或收缩，并且可以具有固定的最小和最大大小。例如，在Oracle Hotspot中，用户可以通过以下方式用Xms和Xmx参数指定堆的最小大小：“ java -Xms = 512m -Xmx = 1024m…”。

注意：堆不能超过最大大小。如果超出此限制，JVM将抛出OutOfMemoryError。

方法区

方法区域是所有Java虚拟机线程之间共享的内存。它是在虚拟机启动时创建的，并由类加载器从字节码加载。只要加载它们的类加载器处于活动状态，方法区域中的数据就会保留在内存中。

方法区域存储：

类信息（字段/方法的数量，超类名称，接口名称，版本等）

方法和构造函数的字节码。

每个类加载的运行时常量池。

规范不强制在堆中实现方法区域。例如，在JAVA7之前，Oracle HotSpot使用一个名为PermGen的区域来存储“方法区域”。该PermGen与Java堆（以及由JVM像堆一样由JVM管理的内存）是连续的，并且被限制为默认空间64Mo（由参数-XX：MaxPermSize修改）。从Java 8开始，HotSpot现在将“方法区域”存储在称为Metaspace的本机native内存空间中，最大可用空间是总可用系统内存。

注意：方法区域不能超过最大大小。如果超出此限制，JVM将抛出OutOfMemoryError。

运行时常量池

该池是“方法区”的子部分。由于它是元数据的重要组成部分，因此Oracle规范描述了“方法区域”之外的运行时常量池。对于每个加载的类/接口，此常量池都会增加。该池就像常规编程语言的符号表。换句话说，当引用一个类，方法或字段时，JVM使用运行时常量池在内存中搜索实际地址。它还包含常量值，例如字符串文字或常量图元。

String myString1 = “This is a string litteral”;

staticfinalintMY_CONSTANT=2;

pc寄存器（每个线程）

每个线程都有自己的pc（程序计数器）寄存器，与该线程同时创建。在任何时候，每个Java虚拟机线程都在执行单个方法的代码，即该线程的当前方法。pc寄存器包含当前正在执行的Java虚拟机指令的地址（在方法区域中）。

注意：如果线程当前正在执行的方法是本机的，则Java虚拟机的pc寄存器的值是未定义的.Java虚拟机的pc寄存器足够宽，可以在特定平台上保存returnAddress或本机指针。

Java虚拟机栈（每个线程）

堆栈区域存储运行时的栈帧，因此在讨论堆栈之前，将先介绍栈帧

栈帧（frame）

栈帧frame是一种用于实现函数调用的数据结构，其中包含多个数据，这些数据表示当前方法（正在调用的方法）中线程的状态：

操作数堆栈：在基于堆栈的体系结构一章中，我已经介绍了操作数堆栈。字节码指令使用此堆栈来处理参数。此堆栈还用于在（java）方法调用中传递参数，并在调用方法的堆栈顶部获取被调用方法的结果。

局部变量数组：此数组包含当前方法范围内的所有局部变量。该数组可以保存基本类型，引用或returnAddress的值。该数组的大小是在编译时计算的。Java虚拟机使用局部变量在方法调用时传递参数，被调用方法的数组是从调用方法的操作数堆栈中创建的。

运行时常量池引用：引用正在执行的当前方法的当前类的常量池。JVM使用它将符号方法/变量引用（例如myInstance.method（））转换为实内存引用。

每个Java虚拟机线程都有一个私有Java虚拟机堆栈，与该线程同时创建。Java虚拟机堆栈存储栈帧。每次调用方法时，都会创建一个新框架并将其放入堆栈中。框架的方法调用完成时，无论该完成是正常的还是突然的（它引发未捕获的异常），它都会被销毁。

给定线程中的任何一点都只有一个框架（用于执行方法的框架）处于活动状态。该帧称为active frame（当前帧），其方法称为当前方法。定义当前方法的类是当前类。局部变量和操作数堆栈上的操作通常参考当前帧。

让我们看下面的示例，它是一个简单的加法

public int add(inta, intb){

  returna + b;

}

public void functionA(){

// some code without function call

  intresult = add(2,3); //call to function B

// some code without function call

}

当functionA（）在其上运行时，这是它在JVM内部的工作方式：

在functionA（）内部，Frame A是堆栈框架的顶部，并且是当前Frame。在内部调用add（）的开始处，将新Frame（Frame B）放入堆栈中。帧B成为当前帧。通过弹出帧A的操作数堆栈来填充帧B的局部变量数组。add（）完成后，帧B被销毁，帧A再次成为当前帧。add（）的结果放在Frame A的操作数堆栈上，以便functionA（）可以通过弹出其操作数堆栈来使用它。

注意：栈可以很方便高效的动态扩展和收缩。每个线程的栈的最大值可以设定。这限制了递归调用的数量。如果超出此限制，则JVM抛出 StackOverflowError。

使用Oracle HotSpot，可以使用参数-Xss指定此限制。

native方法堆栈

这是用非Java语言编写并通过JNI（Java本机接口）调用的本机代码的堆栈。由于它是一个“native”堆栈，因此该堆栈的行为完全取决于底层操作系统。