一文带你深入理解JVM

一、什么是JVM

JVM是Java Virtual Machine(Java 虚拟机)的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

Java语言的一个非常重要的特点就是平台无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行，至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码(字节码)，就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。这就是Java的能够“一次编译，到处运行”的原因。

二、JVM总体概述

JVM总体上是由类装载子系统(ClassLoader)、运行时数据区、执行引擎、垃圾收集这四个部分组成。其中我们最为关注的运行时数据区，也就是JVM的内存部分则是由方法区(Method Area)、JAVA堆(Java Heap)、虚拟机栈(JVM Stack)、程序计数器、本地方法栈(Native Method Stack)这几部分组成。

三、JVM体系结构

3.1 类装载子系统

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。

3.2 运行时数据区

栈管运行，堆管存储。JVM调优主要是优化Java堆和方法区。

3.2.1 方法区(Method Area)

方法区是各线程共享的内存区域，它用于存储已被JVM加载的类信息、常量、静态变量、运行时常量池等数据。

3.2.2 Java堆(Java Heap)

Java堆是各线程共享的内存区域，在JVM启动时创建，这块区域是JVM中最大的， 用于存储应用的对象和数组，也是GC主要的回收区，一个 JVM 实例只存在一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后，需要把类、方法、常变量放到堆内存中，以方便执行器执行，堆内存分为三部分：新生代、老年代、永久代。

说明：

• 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：无永久代，改用元空间代替(java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,这种错误将不会出现在JDK1.8中)。

3.2.3 Java栈(JVM Stack)

1) 栈是什么

Java栈是线程私有的，是在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就Over，生命周期和线程一致。基本类型的变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分配。

2) 栈存储什么

每个方法执行的时候都会创建一个栈帧，栈帧中主要存储3类数据：

局部变量表：输入参数和输出参数以及方法内的变量;

栈操作：记录出栈和入栈的操作;

栈帧数据：包括类文件、方法等等。

3) 栈运行原理

栈中的数据都是以栈帧的格式存在，栈帧是一个内存区块，是一个数据集，是一个有关方法和运行期数据的数据集。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在栈中从入栈到出栈的过程。

4) 本地方法栈(Native Method Stack)

本地方法栈和JVM栈发挥的作用非常相似，也是线程私有的，区别是JVM栈为JVM执行Java方法(也就是字节码)服务，而本地方法栈为JVM使用到的Native方法服务。它的具体做法是在本地方法栈中登记native方法，在执行引擎执行时加载Native Liberies.有的虚拟机(比如Sun Hotpot)直接把两者合二为一。

5) 程序计数器(Program Counter Register)

程序计数器是一块非常小的内存空间，几乎可以忽略不计，每个线程都有一个程序计算器，是线程私有的，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器，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。

6) 运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。相较于Class文件常量池，运行时常量池更具动态性，在运行期间也可以将新的变量放入常量池中，而不是一定要在编译时确定的常量才能放入。最主要的运用便是String类的intern()方法。

3.3 执行引擎(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。执行引擎以指令为单位读取Java字节码。它就像一个CPU一样，一条一条地执行机器指令。每个字节码指令都由一个1字节的操作码和附加的操作数组成。执行引擎取得一个操作码，然后根据操作数来执行任务，完成后就继续执行下一条操作码。

不过Java字节码是用一种人类可以读懂的语言编写的，而不是用机器可以直接执行的语言。因此，执行引擎必须把字节码转换成可以直接被JVM执行的语言。字节码可以通过以下两种方式转换成合适的语言：

• 解释器： 一条一条地读取，解释并执行字节码执行，所以它可以很快地解释字节码，但是执行起来会比较慢。这是解释执行语言的一个缺点。
• 即时编译器：用来弥补解释器的缺点，执行引擎首先按照解释执行的方式来执行，然后在合适的时候，即时编译器把整段字节码编译成本地代码。然后，执行引擎就没有必要再去解释执行方法了，它可以直接通过本地代码去执行。执行本地代码比一条一条进行解释执行的速度快很多，编译后的代码可以执行的很快，因为本地代码是保存在缓存里的。

3.4 垃圾收集(Garbage Collection, GC)

3.4.1 什么是垃圾收集

（编辑：晋中站长网）

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