深入JVM-java虚拟机的基本结构

本文将介绍Java虚拟机的基本结构，各组成部分的作用，以及相互之间是如何协调的。而要了解这些，首先必须了解Java堆、Java栈、永久区和元数据区的基本概念。

一、Java虚拟机的架构

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，加载的类信息放在一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区中还会存放运行时常量池的信息，包括字符串字面量和数字常量(这部分常量信息是class文件中常量池部分的内存映射)。

1.2 程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间，他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说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)都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，每条线程都需要一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，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Native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。

1.3 Java虚拟机栈

Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(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。每一个方法从调用直至执行完成，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

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(reference类型，他不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置)和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverFlowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展(当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈)，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

1.4 本地方法栈

与虚拟机栈的作用相似，他们之间的区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

1.5 Java堆

Java堆(Java Heap)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。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候被称为GC堆。由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

1.6 方法区

与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

1.7 运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是ju'bei具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用的比较多的便是String类的intern()方法。

1.8 直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。它直接在Java堆外、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，在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Xmxd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。

在JDK 1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于通道(Channel)与缓冲区(Buffer)的I/O方式，他可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

二、认识Java堆

Java堆是和Java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中。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，而不需要显式的释放。

根据垃圾回收机制的不同，Java堆有可能拥有不同的结构，最常见的一种是将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，老年代存放老年对象。新生代可能分为eden区、s0区、s1区，s0和s1也被称为from和to区域，他们是两块大小相等、可以互换角色的内存空间。

在绝大多数情况下，对象首先分配在eden区，在一次新生代回收(Young GC)后，如果对象还存活，则会进入s0或s1，之后，没经过一次Young GC，对象如果存活，他的年龄就会加1.当对象的年龄达到一定条件后，就会被认为是老年代，从而进入老年代。

三、出入Java栈

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堆就是和线程执行密切相关的。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，他是一块先进后出的数据结构，只支持出栈和入栈两种操作。Java虚拟机提供了参数-Xss来指定线程的最大栈空间，这个参数也直接决定了函数调用的最大深度。

3.1 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，当函数调用结束后，随着函数栈帧的销毁，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较多，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。

局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象是不会被回收的。因此，理解局部变量表对理解垃圾回收也有一定的帮助。

可以使用参数-XX:+PrintGC，在输出的日志中，可以看到垃圾回收前后堆的大小。

3.2 操作数栈

它主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。

3.3 帧数据区

大部分Java字节码指令需要进行常量池访问，在帧数据区中保存着访问变量池的指针，方便程序访问常量池。同时异常处理表也是帧数据区中重要的一部分。

3.4 栈上分配

栈上分配是Java虚拟机提供的一项优化技术，他的基本思想是，对于那些线程私有的对象(这里指不可能被其他线程访问的对象)，可以将他们打散分配在栈上，而不是分配在堆上。分配在栈上的好处是可以在函数调用结束后自行销毁，而不需要垃圾回收器的介入，从而提高系统的性能。

栈上分配的一个技术基础是进行逃逸分析。逃逸分析的目的是判断对象的作用域是否有可能逃逸出函数体。

对于大量的零散小对象，栈上分配提供了一种很好的对象分配优化策略，栈上分配速度快，并且可以有效避免垃圾回收带来的负面影响，但由于和堆空间相比，栈空间较小，因此对于大对象也不适合在栈上分配。

四、方法区

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

在JDK 1.6、JDK 1.7中，方法区可以理解为永久区(Perm)。永久区可以用参数-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产生大量的类，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JDK 1.8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。