JVM入门——JVM内存结构

一、java代码编译执行过程

　　1.源码编译：通过Java源码编译器将Java代码编译成JVM字节码（.class文件）

　　2.类加载：通过ClassLoader及其子类来完成JVM的类加载

　　3.类执行：字节码被装入内存，进入JVM虚拟机，被解释器解释执行

　　注：Java平台由Java虚拟机和Java应用程序接口搭建，Java语言则是进入这个平台的通道，

　　　　用Java语言编写并编译的程序可以运行在这个平台上

二、JVM简介

1.java程序经过一次编译之后，将java代码编译为字节码也就是class文件，然后在不同的操作系统上依靠不同的java虚拟机进行解释，最后再转换为不同平台的机器码，最终得到执行

2.Java虚拟机(JVM) 处在核心的位置，是程序与底层操作系统、硬件无关的关键。

　　 JVM的下方是移植接口，移植接口由两部分组成：适配器和Java操作系统, 其中依赖于平台的部分称为适配器，JVM 通过移植接口在具体的平台和操作系统上实现

　　 JVM 的上方是Java的基本类库和扩展类库以及它们的API，利用Java API编写的应用程序(application) 和小程序(Java applet) 可以在任何Java平台上运行而无需考虑底层平台

　　Java虚拟机(JVM)实现了程序与操作系统的分离，从而实现了Java 的跨平台

3.JVM在它的生存周期中有一个明确的任务，那就是运行Java程序，因此当Java程序启动的时候，就产生JVM的一个实例；当程序运行结束的时候，该实例也跟着消失了

4.三种JVM：① Sun公司的HotSpot ② BEA公司的JRockit ③ IBM公司的J9 JVM

　　在JDK1.7及其以前我们所使用的都是Sun公司的HotSpot，但由于Sun公司和BEA公司都被oracle收购，jdk1.8将采用Sun公司的HotSpot和BEA公司的JRockit两个JVM中精华形成jdk1.8的JVM。

三、JVM体系结构

1.Class Loader类加载器

负责加载 .class文件，class文件在文件开头有特定的文件标示，并且ClassLoader负责class文件的加载等，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。

　　① 定位和导入二进制class文件

　　② 验证导入类的正确性

　　③ 为类分配初始化内存

　　④ 帮助解析符号引用.

2.Native Interface本地接口

　　本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序，Java诞生的时候C/C++横行的时候，要想立足，必须有调用C/C++程序，于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为

　　native的代码，它的具体作法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载native libraies。

　　目前该方法使用的越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java程序驱动打印机，或者Java系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见。

　　因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用Socket通信，也可以使用Web Service等。

3.Execution Engine 执行引擎：执行包在装载类的方法中的指令，也就是方法。

4.Runtime data area 运行数据区（即：虚拟机内存或者JVM内存下节介绍）

从整个计算机内存中开辟一块内存存储Jvm需要用到的对象，变量等，分为：方法区，堆，虚拟机栈，程序计数器，本地方法栈。

四、JVM内存结构

1.程序计数器 PC Register

　　每个线程都有一个程序计算器，就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（下一个将要执行的指令代码），由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不记。

　　程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用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（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），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。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，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能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，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。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；如果正在执行的是Natvie 方法，这个计数器值则为空（Undefined）。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.本地方法栈 Native Method Stack

　　Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载native libraies

　　本地方法栈与虚拟机栈基本类似，区别在于虚拟机栈为虚拟机执行的java方法服务，而本地方法栈则是为Native方法服务

3.方法区 Method Area

　　用于存储虚拟机加载的：静态变量+常量+类信息+运行时常量池（类信息：类的版本、字段、方法、接口、构造函数等描述信息）

　　默认最小值为16MB，最大值为64MB，可以通过-XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 参数限制方法区的大小

　　对于习惯在HotSpot 虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot 虚拟机的设计团队选择把GC 分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9 等）来说是不存在永久代的概念的。即使是HotSpot 虚拟机本身，根据官方发布的路线图信息，现在也有放弃永久代并“搬家”至Native Memory 来实现方法区的规划了。Java 虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，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是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个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确实是有必要的。在Sun 公司的BUG 列表中，曾出现过的若干个严重的BUG 就是由于低版本的HotSpot 虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。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OutOfMemoryError 异常。

4.栈 JVM Stack

　　编译器可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(引用指针，并非对象本身)

　　栈是java 方法执行的内存模型：

　　每个方法被执行的时候都会创建一个“栈帧”用于存储局部变量表(包括参数)、操作栈、方法出口等信息。

　　每个方法被调用到执行完的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

　　（局部变量表：存放了编译器可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(引用指针，并非对象本身)，

　　其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量的空间，其余数据类型只占1个。

　　局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量是完全确定的，在运行期间栈帧不会改变局部变量表的大小空间）

　　栈的生命期是跟随线程的生命期，线程创建时创建，线程结束栈内存也就释放，是线程私有的。

5.堆 Java Heap

　　所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，此内存区域的唯一目的就是存放对象实例

　　堆是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

　　堆是理解Java GC机制最重要的区域，没有之一

　　结构：新生代（Eden区+2个Survivor区）老年代永久代（HotSpot有）

　　新生代：新创建的对象——>Eden区

　　GC之后，存活的对象由Eden区 Survivor区0进入Survivor区1

　　再次GC，存活的对象由Eden区 Survivor区1进入Survivor区0

　　老年代：对象如果在新生代存活了足够长的时间而没有被清理掉（即在几次Young GC后存活了下来），则会被复制到老年代

　　如果新创建对象比较大（比如长字符串或大数组），新生代空间不足，则大对象会直接分配到老年代上（大对象可能触发提前GC，应少用，更应避免使用短命的大对象）

　　老年代的空间一般比新生代大，能存放更多的对象，在老年代上发生的GC次数也比年轻代少

　　永久代：可以简单理解为方法区（本质上两者并不等价）

　　如上文所说：对于习惯在HotSpot 虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”，本质上两者并不等价

　　仅仅是因为HotSpot 虚拟机的设计团队选择把GC 分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已

　　对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9 等）来说是不存在永久代的概念的

　　即使是HotSpot 虚拟机本身，根据官方发布的路线图信息，现在也有放弃永久代并“搬家”至Native Memory 来实现方法区的规划了

　　Jdk1.6及之前：常量池分配在永久代

　　Jdk1.7：有，但已经逐步“去永久代”

　　Jdk1.8及之后：没有永久代(java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,这种错误将不会出现在JDK1.8中)

6.直接内存 Direct Memor

　　直接内存并不是JVM管理的内存，可以这样理解，直接内存，就是JVM以外的机器内存，比如，你有4G的内存，JVM占用了1G，则其余的3G就是直接内存

　　JDK中有一种基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的内存分配方式，将由C语言实现的native函数库分配在直接内存中，用存储在JVM堆中的DirectByteBuffer来引用

　　由于直接内存收到本机器内存的限制，所以也可能出现OutOfMemoryError的异常。

参考资料