JVM的基本结构

￡神魔★判官ぃ 2022-06-06 11:40 240阅读 0赞

## JVM的基本结构 ##

java虚拟机的基本结构如图：

![1 JVM的基本结构][1 JVM]

1）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。除了类的信息外，方法区中可能还会存放运行时常量池信息，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）。

2）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。

3）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。

4）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。

5）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。

6）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）

7）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

8)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。

思考个问题：为何JVM只有一个PC寄存器？

因为JVM是软件虚拟，无法使用寄存器的硬件优势，本就不存在寄存器的概念。而由于PC寄存器是需要指向执行的指令，所以不可以缺少。

## java堆 ##

![java堆的一般结构][java]

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。

举个例子来展示**java堆、方法区、java栈**之间的关系。

public class SimpleHeap { 
    　　private int id;
    　　public SimpleHeap(int id){
    　　　　this.id = id;
    　　}
    　　public void show(){
    　　　　System.out.println("My id is "+id);
    　　}
    
    　　public static void main(String[] args) {
    　　　　SimpleHeap s1 = new SimpleHeap(1);
    　　　　SimpleHeap s2 = new SimpleHeap(2);
    　　　　s1.show();
    　　　　s2.show();
    　　}
    }

该代码声明了一个类，并在main函数中创建了两个SimpleHeap实例。此时，各对象和局部变量的存放情况如图：

![堆、方法区、栈的关系][SouthEast]

SimpleHeap实例本身分配在堆中，描述SimpleHeap类的信息存放在方法区，main函数中的s1 s2局部变量(实例的引用)存放在java栈上，并指向堆中两个实例。

## 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。

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][SouthEast 1]

函数1对应栈帧1，函数2对应栈帧2，依次类推。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。

### 局部变量表 ###

局部变量表用于保存函数的参数以及局部变量。

### 操作数栈 ###

操作数栈主要用于保存计算过程的中间结果，同事作为计算过程中变量临时的存储空间。

### 帧数据区 ###

帧数据区时候为了支持常量池解析、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，在帧数据区中保存着访问常量池的指针，方便程序访问常量池。

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。  
举个例子：

![这里写图片描述][SouthEast 2]

![这里写图片描述][SouthEast 3]

如果使用recursion()，以减少函数的参数，可以使得调用深度更加深。

![这里写图片描述][SouthEast 4]

### 栈上分配 ###

栈上分配是Java虚拟机提供的一项优化技术，它的基本思想是：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），可以将它们打散分配在栈上，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。**

栈上分配的以及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。

## 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 JVM]: /images/20220606/706c76e5868c485499bf2503ea474017.png
[java]: /images/20220606/a12fe9cdaf4a4f82996cf86e064dcd0d.png
[SouthEast]: /images/20220606/9e5f7b20e73e41f8aef015a8b8e9e0f3.png
[SouthEast 1]: /images/20220606/9bfb7988a1e74cd4b3217d0f0bca4691.png
[SouthEast 2]: /images/20220606/e6086cd28de142d6be672101c38114f8.png
[SouthEast 3]: /images/20220606/c5621ea9142140058ab922dbcab22d32.png
[SouthEast 4]: /images/20220606/48a7392394c84e4d92379fb1a609ece1.png