JVM--JVM基础知识

Posted 2022-01-08 ZhSuZhan

目录

• 1.1主力机型
• • • 1. HotSpot VM
• 1.2体系结构
• 1.3 运行时数据区
• • • 1.3.1 程序计数器
    • 1.3.2 虚拟机栈
    • 1.3.3 本地方法栈
    • 1.3.4 堆
    • 1.3.5 方法区
• 1.4 对象如何存放
• • • 1.4.1 对象的创建过程
    • 1.4.2 对象的内存布局
    • • 1.对象头（HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括两类信息）
      • 2. 实例数据
      • 3. 对齐填充
    • 1.4.3 对象的访问定位

1.1主力机型

1. HotSpot VM

HotSpot VM是OracleJDK和OpenJDK中的默认Java虚拟机，也是目前使用范围最广的Java虚拟机。
在JDK8的时候，移除了永久代。

1.2体系结构

• 每个JVM都有一个类加载子系统，它根据给定的全限定名来载入类（或接口）。
• 每个JVM都有一个执行引擎，它负责执行那些包含在被载入类的方法中的指令。
• 当JVM执行一个程序时，它需要内存来存储很多东西，例如：字节码、从已载入的class的文件中得到的其他信息、程序创建的对象、传递给方法的参数，返回值、局部变量，以及运算中间结果等等。JVM把这些东西都组织到几个“运行时数据区”中，以便管理。
  

1.3 运行时数据区

1.3.1 程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码行号指示器。（可以理解为字节码执行到哪一行了，底层存储的是偏移量），在Java虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是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，它是程序控制流的指示器，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。并且每一个线程都需要有一个独立的程序计数器，各线程之间计数器互不影响。我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

1.3.2 虚拟机栈

虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

1.3.3 本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地方法服务。

1.3.4 堆

堆是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，Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存，“GC堆”。

1.3.5 方法区

方法区与堆一样，是各个线程共享的内存区域，用于存储已经被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

1.4 对象如何存放

1.4.1 对象的创建过程

（当JVM遇到一条new 指令时将按照如下流程来创建对象）

1. 检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用（常量池中是否有这个类），并检查这个符号引用所代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。
2. 在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务实际上便等同于把一块确定大小的内存块从堆中划分出来。
3. 内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间（不包括对象头）都初始化为零值。这步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，使程序能访问到这些字段的零值。（可以理解为默认值 int i； i 的默认值为0）
4. 接下来，Java虚拟机还要对对象进行必要的设罝，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息，这些信息存放在对象的对象头之中。
5. 到目前为止，构造函数，即Class文件中的init方法（构造方法）还没有执行，所有的字段都为默认的零值，对象需耍的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构造好。所以，new指令之后会接着执行方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

总结：

1. 检查常量池中是否有这个类，如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。
2. 在类加载检查通过后，虚拟机将为新生对象分配内存。
3. 内存分配完成之后，虚拟机将分配到的内存空间（不包括对象头）都初始化为零值。
4. Java虚拟机还要对对象进行必要的设罝，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息，这些信息存放在对象的对象头之中。
5. new指令执行init方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

1.4.2 对象的内存布局

在HotSpot虚拟机里，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：对象头、实例数据、对齐填充。

1.对象头（HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括两类信息）

• 第一类是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、00分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32个比特和64个比特，官 方称它为“Mark Word”。考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个有着动态定义的数据结构， 以便在极小的空间内存储尽量多的数据，根据对象的状态复用自己的存储空间。
• 第二类是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪 个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据 信息并不一定要经过对象本身。
• 此外，如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机 可以通过普通Java对象的元数据信息确定对象的大小，但是如果数组的长度是不确定的，将无法通过元数据中的信息推断出数组的大小。
  

2. 实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容，无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的字段都必须记录起来。（相同宽度的字段总是分配到一起存放）。

3. 对齐填充

仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot虚拟机的自动内存管理要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说就是任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成正好是8字节的倍数，而如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全。

1.4.3 对象的访问定位

Java程序会通过栈上的reference来操作堆上的具体对象，《Java虚拟机规范》里面只规定了reference是一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过什么方式去定位、访问到堆中对象的具体位置，所以对象的访问方式也是由虚拟机实现而规定的。

主流的方式有：

• 使用句柄
• 直接指针（HotSpot主要使用这种）

1. 使用句柄：如果使用句柄访问的话，堆中将可能会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自具休的地址信息。使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句梅中的实例数据指铲，而reference本身不需要被修改。
   

2. 直接指针：如果使用直接指针访问的话，reference中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销。使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象汸问在reference中非常频繁，因此这类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本。