Java虚拟机体系结构深入研究总结

Posted 2020-06-17

工作以来，代码越写越多，程序也越来越臃肿，效率越来越低，对于我这样一个追求完美的程序员来说，这是绝对不被允许的，于是除了不断优化程序结构外，内存优化和性能调优就成了我惯用的“伎俩”。

要对Java程序进行内存优化和性能调优，不了解虚拟机的内部原理(或者叫规范更严谨一点)是肯定不行的，这里推荐一本好书《深入Java虚拟机(第二版)》(Bill Venners著，曹晓刚 蒋靖 译，实际上本文正是作者阅读本书之后，对Java虚拟机的个人理解阐述)。当然了，了解Java虚拟机的好处并不仅限于上述两点好处。从更深一点的技术层面上看，了解Java虚拟机的规范和实现，将更加有助于我们编写高效、稳定的Java代码。比如，假如了解Java虚拟机的内存模型，了解虚拟机的内存回收机制，那么我们就不会过分依赖它，而会在需要的时候显式的”释放内存”(Java代码不能显式释放内存，但是可以通过释放对象引用告知垃圾回收器回收该对象需要被回收)，以降低不必要的内存消耗；假如我们了解Java栈的工作原理，那么我们就可以通过减少递归层数，减少循环次数来降低堆栈溢出的风险。可能对于应用开发人员来说，可能不会直接去涉及这些Java虚拟机底层实现的工作，但是了解这些背景知识，或多或少，都会对我们写的程序产生潜移默化的好的影响。

本篇文章，将简明扼要的说明Java虚拟机的体系结构和内存模型，如有用词不妥或解释不准确之处，请不吝指正，深感荣幸!

Java 虚拟机体系结构

类装载子系统

Java虚拟机有两种类装载器，分别是启动类装载器和用户自定义装载器。

通类装载子系统通过类的全限定名（包名和类名，网络装载还包括 URL）将 Class 装载进运行时数据区。对于每一个被装载的类型，Java虚拟机都会创建一个java.lang.Class类的实例来代表该类型，该实例被放在内存中的堆区，而装载的类型信息则位于方法区，这一点和所有其他对象都是一样的。

类装载子系统在装载一个类型前，除了要定位和导入对应的二进制class文件外，还要验证导入类的正确性，为类变量分配并初始化内存，以及解析符号引用为直接引用，这些动作严格按照以下顺序进行：

1）装载——查找并装载类型的二进制数据；

2）连接——执行验证，准备以及解析(可选)

3）验证 确保被导入类型的正确性

4）准备 为类变量分配内存，并将其初始化为默认值

5）解析 把类型中的符号引用转换为直接应用

方法区

对于每一个被类装载子系统装载的类型，虚拟机都会保存下列数据到方法区：

• 类型的全限定名
• 类型超类的全限定名(java.lang.Object没有超类)
• 类型是类类型还是接口类型
• 类型的访问修饰符
• 任何直接超接口的全限定名有序列表

除了上述基本类型信息，还将保存如下信息：

• 类型的常量池
• 字段信息(包括字段名、字段类型、字段修饰符)
• 方法信息(包括方法名、返回类型、参数的数量和类型、方法修饰符，如果方法不是抽象和本地的，还将保存方法的字节码、操作数栈和该方法栈帧中的局部变量区的大小和异常表)
• 常量以外的所有类变量(其实就是类的静态变量，因为静态变量是所有实例共享的，且与类型直接相关，所以他们是类一级的变量，作为类的成员被保存在方法区)

一个到类ClassLoader的引用

//返回的就是刚才保存的ClassLoader引用   
String.class.getClassLoader();

一个到Class类的引用

//将返回刚才保存的Class类的引用   
String.class;

注意，方法区也是可以被垃圾回收器回收的。

堆

Java程序在运行时创建的所有类实例或数组都放在同一个堆中，而每一个Java虚拟机也是有一个对空间，所有线程共享一个堆(这就是一个多线程的Java程序会产生对象访问的同步问题的原因了)。

由于每一种Java虚拟机都有对虚拟机规范的不同实现，所以我们可能不知道每一种Java虚拟机在堆中是以何种形式表示对象实例的，不过我们可以通过下面这可能的实现来一窥端倪：

程序计数器

对于运行中的Java程序而言，每一个线程都有自己的PC（程序计数器）寄存器，它是在该线程启动时创建的，大小为一个字长，用来保存需要被执行的下一行代码的位置。

Java栈

每一个线程都有一个Java栈，以栈帧为单位保存线程的运行状态。虚拟机对Java栈的操作有两种：压栈和出栈，二者都已帧为单位。栈帧保存了传入参数、局部变量、中间运算结果等数据，在方法完成时被弹出，然后释放。

看一下两个局部变量相加时栈帧的内存快照

本地方法栈

这是 Java 调用操作系统本地库的地方，用来实现 JNI（Java Native Interface，Java 本地接口）

执行引擎

Java虚拟机的核心，控制装入 Java 字节码并解析；对于运行中的Java程序而言，每一个线程都是一个独立的虚拟机执行引擎的实例，从线程生命周期的开始到结束，他要么在执行字节码，要么在执行本地方法。

本地接口

连接了本地方法栈和操作系统库。

注:文中所有提到”Java虚拟机”的地方都是指”JavaEE和JavaSE平台的Java虚拟机规范”。