原创JVM系列02 | Java虚拟机结构

Posted 2021-04-17 程序员修仙之旅

Java虚拟机

学习 Java 虚拟机，先要掌握其基本结构，了解各部分有什么作用，各部分之间是如何协调工作的。本文将介绍如下内容：

1. Java 虚拟机结构
2. 举例说明 Java 堆、Java 栈、方法区关系

1. 基本结构

图片来自：https://blog.csdn.net/aijiudu/article/details/72991993

Java 虚拟机结构包括：类加载子系统、运行时数据区、垃圾回收系统、执行引擎。

类加载子系统： 负责从文件系统或者网络中加载 Class 信息。

垃圾回收系统： 对方法区、Java 堆和直接内存进行回收，其中 Java 堆是垃圾收集的工作重点。
对于不再使用垃圾对象，垃圾回收系统会在后台默默的查找、标记并释放垃圾对象内存，完成对方法区、Java 堆和直接内存的自动化管理。

执行引擎： 执行引擎是负责执行虚拟机的字节码。

运行时数据区包括：方法区、Java 堆、Java 栈、直接内存、本地方法栈、PC（Program Counter）寄存器。

方法区： 存放两部分内容。
① 类加载子系统加载的类信息；
②Java 程序运行时的常量池信息，包括字符串字面量和数字常量。

方法区是线程共享的。

JDK6、JDK7 永久代实现方法区，JDK8 之后永久带被彻底移除，被元数据区取代。元数据区数堆外的直接内存

Java 堆： Java 程序最主要的内存工作区域，存放 Java 对象实例。Java 堆空间是所有线程共享的。

Java 堆分为新生代和老年代。新生代分为 eden 区、s0 区、s1 区，s0 区和 s1 区是两块大小相等、可以互换角色的内存空间。

几乎所有的对象都存放在堆中。Java 堆是自动化管理的，垃圾对象会被自动清理，不需要程序员手动释放内存。

新生代存放新生的和年龄不大的对象。对象首先分配在 eden 区，如果在一次新生代回收后还存活就会进入 s0 或 s1，对象年龄增加 1。当对象达到一定年龄后，就会进入老年代，老年代存放老年对象。（堆内存作为最主要的内存空间，会在之后的垃圾回收中详细讲解）

直接内存： Java 堆外的、直接向系统申请的内存空间。
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。所以直接内存收到本机器内存的限制，也可能出现 OutOfMemoryError 的异常。
访问直接内存的速度会优于访问 Java 堆内存的速度，读写频繁的场景会考虑使用直接内存。NIO 使用的就是直接内存。

Java 栈： 线程被创建的时候 Java 栈被创建，Java 栈是线程私有的内存空间，同 Java 方法的调用密切相关。Java 栈中保存着栈帧信息，栈帧包括局部变量、操作数栈和帧数据。

本地方法栈： 本地方法栈和 Java 栈类似，本地方法栈用于本地方法的调用。Java 虚拟机允许 Java 直接调用本地方法，本地方法通常是使用 C 编写的，native 修饰的代码。

PC（Program Counter）寄存器： Java 虚拟机会为每个 Java 线程创建 PC 寄存器，所以 PC 寄存器也是每个线程的私有空间。Java 线程正在执行的方法称为当前方法，如果当前方法是 Java 方法，PC 寄存器就会执行当前正在被执行的指令；如果当前方法是本地方法，PC 寄存器的值就是 undefined。

2. 堆、栈、方法区关系

public class JVMTest {
    private int id;
    public JVMTest(int id) {
        this.id = id;
    }
    public void showID() {
        System.out.println("id=" + id);
    }

    public static void main(String[] args) {
        JVMTest object1 = new JVMTest(1);
        JVMTest object2 = new JVMTest(1);
        object1.showID();
        object2.showID();
    }
}

• 创建的两个 JVMTest 实例分配在堆中。
• main 方法 object1 和 object2 两个局部变量存放在 Java 栈中，并指向堆中的两个实例。
• 描述 JVMTest 类的类信息存放在方法区。

3. 总结

总结不多说了，直接给出 Java 虚拟机结构的思维导图：

参考资料

1. 《深入理解 Java 虚拟机（第 2 版） : JVM 高级特性与最佳实践》
2. 《实战 Java 虚拟机 : JVM 故障诊断与性能优化》