了解 JVM和JVM内存结构（JVM运行时数据区）

Posted 2021-10-06 XeonYu

上一篇：Java 线程池使用详解

之前的文章中，我们大多是了解并发是怎么回事儿，怎么解决并发问题，juc给我们提供锁都有什么效果，是如何使用的。实际上，了解完前面的知识，日常的并发问题大多都可以应付了，但是，也只是停留在会用的水平上。
至于底层是怎么实现的，这个代码到底是怎么运行的，就不是很清楚了。
作为一名有追求的程序员，我们不仅要会用，还要知道为什么这么用，它是怎么实现的。这样，才能走的更高，看的更远。

JVM

官方参考文档：

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se16/html/index.html

首先，JVM就是 Java虚拟机，是一个抽象的计算机，可以通过指令集去操作不同的内存区域。

我们所编写的Java程序最终就是编译成 .class 字节码文件运行在Java虚拟机中的。

我们都知道 Java语言的一大特性就是跨平台。原因就是JVM可以在不同的操作系统中运行，而我们的程序是在JVM中运行的，所以，自然而然的我们的程序也就可以跨平台了。

大致执行过程如下：

我们可以写个简单的例子看一下：

随便写一个简单的类，如下

public class YZQ {
    public static void main(String[] args) {
        String name = "yzq";
        name = "Xeon";

        System.out.println("name = " + name);
    }
}

下面我们来用命令编译一下，然后运行看看

首先简单说一下后面用到的命令：

• javac 文件名.java ： 是将java文件编译成class文件
• java 文件名（class文件） ：运行文件
• javap -c 文件名（class文件）：反汇编class文件，就是把class文件转成我们能看懂的指令

更多的命令去官方文档看：

https://docs.oracle.com/en/java/javase/16/docs/specs/man/index.html

操作步骤如下：

如图所示，我们先通过javac 文件名.java 将YZQ.java文件编译，编译结束后就多了一个class文件。
然后通过java class文件名 命令就可以运行了。

我们来看一下class文件是啥样的。

如图所示，class文件里面都是16进制的数据。这玩意我们肯定看不懂，下面我们反汇编看看是什么样的。

javap -c 文件名

可以看到，我们的程序实际上就是一步一步执行的，至于这些指令的含义是什么，看官方文档即可。

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se16/html/jvms-2.html#jvms-2.11

这里我们就不深究了，我们这里只需要知道从Java代码到JVM运行这个过程是什么样的就可以。

了解完Java代码运行的流程之后，我们来看看JVM的组成部分

如图所示，主要有以下5个组成部分

组成部分	作用
类加载器 （Class Loader）	加载字节码文件到内存（运行时数据区）中
运行时数据区 （Runtime Data Area）	是JVM核心的内存控件结构模型
执行引擎（Execution Engine）	也叫做命令解释器，将字节码文件翻译成操作系统认识的指令集去运行
本地方法接口 （Native Methord Interface）	Java语言和其他语言（一般是c或c++）相互调用的一种协议
本地方法库	Java本地方法的具体实现

而我们常说的JVM内存结构，就是指JVM的运行时区域

---

JVM 内存结构

上面也说了，JVM 内存结构实际上就是JVM中的运行时数据区，是JVM程序在操作系统上运行时分配的内存区域。

运行时数据区主要分为5个部分，如下图

组成部分	作用
方法区	线程共享，主要用来存放类信息、常量、静态变量等数据
堆	线程共享，主要用来存放新创建的对象以及数组等数据，占用空间较大，是GC主要管理的区域
虚拟机栈	线程私有，存放的是栈帧，每个栈帧对应一个方法
程序计数器	线程私有，用来记录当前线程执行的指令行号，主要是为了解决线程切换的问题
本地方法栈	线程私有 本地方法执行时所属的区域

需要注意的是：

方法区和堆是线程共享的
虚拟机栈和程序计数器以及本地方法栈是线程私有的

上面我们说到了每个线程中都会有各自的虚拟机栈、程序计数器以及本地方法栈。
图示如下

我们主要来看下线程内部的虚拟机栈的结构

一个栈由多个栈帧组成，每个方法都对应一个栈帧，栈帧中主要分为四个区域

• 局部变量表
• 操作数栈
• 动态链接
• 方法出口

图示如下：

我们来看下这四个区域分别的作用是什么

区域	作用
局部变量表	存放方法中的产生的局部变量，以及对象类型的引用地址
操作数栈	主要负责存值，取值，做运算等操作，是一个临时区域
动态链接	简单理解就是当前栈帧的入口位置，该位置的值存放在方法区，其他方法想要调用当前方法就可以通过入口位置信息找到该方法
方法出口	简单理解就是调用该方法时其他方法的执行位置，执行完毕后返回到该位置继续执行

举个例子：
有如下代码

public class TestJVM {
    public static void main(String[] args) {
        String name = "yzq";
        int sum = sum();
        System.out.println("name = " + name);
        System.out.println("sum = " + sum);
    }
    public static int sum() {
        int a = 10;
        int b = 20;
        int sum = a + b;
        return sum;
    }
}

我们javap -c TestJVM 看一下, 指令如下

Compiled from "TestJVM.java"
public class yzq.jvm.TestJVM {
  public yzq.jvm.TestJVM();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: ldc           #2                  // String yzq
       2: astore_1
       3: invokestatic  #3                  // Method sum:()I
       6: istore_2
       7: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      10: new           #5                  // class java/lang/StringBuilder
      13: dup
      14: invokespecial #6                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
      17: ldc           #7                  // String name =
      19: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
      22: aload_1
      23: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
      26: invokevirtual #9                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
      29: invokevirtual #10                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      32: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      35: new           #5                  // class java/lang/StringBuilder
      38: dup
      39: invokespecial #6                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
      42: ldc           #11                 // String sum =
      44: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
      47: iload_2
      48: invokevirtual #12                 // Method java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;
      51: invokevirtual #9                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
      54: invokevirtual #10                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      57: return

  public static int sum();
    Code:
       0: bipush        10
       2: istore_0
       3: bipush        20
       5: istore_1
       6: iload_0
       7: iload_1
       8: iadd
       9: istore_2
      10: iload_2
      11: ireturn
}

我们以sum方法为例，来简单看看执行的过程：

指令	作用
0: bipush 10	向操作数栈中压入一个值 10
2: istore_0	从操作数栈中取出值10，存入局部变量表 a=10
3: bipush 20	向操作数栈中压入一个值 20
5: istore_1	从操作数栈中取出值20，存入局部变量表中 b=20
6: iload_0	从局部变量表中取出变量a的值 10,压入操作数栈中
7: iload_1	从局部变量表中取出变量b的值 20,压入操作数栈中
8: iadd	从操作数栈中取出最上面的两个值，分别为20和10，做加法操作，得出30 ，压入操作数栈中
9: istore_2	将值30从操作数栈中取出，存到局部变量表中，sum=30
10: iload_2	从局部变量表中取出sum的值 30
11: ireturn	返回int类型的数据到方法出口

通过上面的步骤我们可以看到，局部变量表中就是存放当前方法产生的局部变量以及对应的值，操作数栈就是用来临时存储值，是一个入栈，出栈的过程。

一个非常简单的方法代码的执行过程就是这样。

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