JVM： Java Virtual Machine，Java虛擬機(jī)，包括處理器、堆棧 、寄存器等，是用來執(zhí)行java字節(jié)碼(二進(jìn)制的形式)的虛擬計(jì)算機(jī)。

一、JVM的組成

JVM由以下四部分組成（兩個子系統(tǒng)和兩個組件）：

 類加載器（ClassLoader）
執(zhí)行引擎（Execution Engine）
運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Area）
本地庫接口（Native Interface）

結(jié)構(gòu)如圖：

（1）運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)域我們在本文進(jìn)行詳解；

（2）類加載機(jī)制會在后續(xù)文章中依次分析，本文主要介紹運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)域；

（3）執(zhí)行引擎：

JIT編譯器：編譯執(zhí)行；將字節(jié)碼指令變成機(jī)器指令。將機(jī)器指令放在方法區(qū)緩存。

解釋器：逐行解釋字節(jié)碼。

垃圾回收器：內(nèi)存回收的具體實(shí)現(xiàn)。

（4）本地方法庫：

有時java應(yīng)用需要與java外面的環(huán)境、操作系統(tǒng)交互。這是本地方法存在的主要原因，你可以想想java需要與一些底層系統(tǒng)如操作系統(tǒng)或某些硬件交換信息時的情況。

jre大部分是用java實(shí)現(xiàn)的，它也通過一些本地方法與外界交互。例如：類java.lang.Thread 的 setPriority()方法是用java實(shí)現(xiàn)的，但是它實(shí)現(xiàn)調(diào)用的是該類里的本地方法setPriority0()。這個本地方法是用C實(shí)現(xiàn)的，并被植入JVM內(nèi)部，在Windows 95的平臺上，這個本地方法最終將調(diào)用Win32 SetPriority() API。這是一個本地方法的具體實(shí)現(xiàn)由JVM直接提供，更多的情況是本地方法由外部的動態(tài)鏈接庫(external dynamic link library)提供，然后被JVM調(diào)用。

本地方法可以通過 JNI(Java Native Interface)來訪問虛擬機(jī)運(yùn)行時的數(shù)據(jù)區(qū)，甚至可以調(diào)用寄存器，具有和 JVM 相同的能力和權(quán)限。 當(dāng)大量本地方法出現(xiàn)時，勢必會削弱 JVM 對系統(tǒng)的控制力，因?yàn)樗某鲥e信息都比較黑盒。對內(nèi)存不足的情況，本地方法棧還是會拋出 nativeheapOutOfMemory。

二、JVM運(yùn)行流程

（1）程序在執(zhí)行之前先要把java代碼轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼（class文件）；

（2）jvm首先需要把字節(jié)碼通過類加載器（ClassLoader） 把文件加載到 運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Area） ；

（3）字節(jié)碼文件不能直接交個底層操作系統(tǒng)去執(zhí)行，因此需要特定的命令解析器 執(zhí)行引擎（Execution Engine） 將字節(jié)碼翻譯成底層系統(tǒng)指令再交由CPU去執(zhí)行；

（4）第三步過程中需要調(diào)用其他語言的接口 本地庫接口（Native Interface） 來實(shí)現(xiàn)整個程序的功能。

注：Java 虛擬機(jī)與 Java 語言沒有什么必然的聯(lián)系，它只與特定的二進(jìn)制文件.Class 文件有關(guān) 。 因此無論任何語言只要能編譯成.Class 文件，就可以被 Java 虛擬機(jī)識別并執(zhí)行，比如Groovy、Kotlin。

三、java內(nèi)存區(qū)域詳解（運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)域）

我們說的Java內(nèi)存區(qū)域，一般都指運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)域，其組成如圖所示：

JDK1.8之后的內(nèi)存區(qū)域布局如下：

參考文章：Java內(nèi)存區(qū)域（運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)域）和內(nèi)存模型（JMM）

（一）程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。——內(nèi)存空間小
字節(jié)碼解釋器工作是就是通過改變這個計(jì)數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行指令的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴計(jì)數(shù)器完成。——計(jì)數(shù)執(zhí)行

對于一個單核cpu（或者是一個內(nèi)核）來說，只能同時執(zhí)行一條指令，而JVM通過快速切換線程執(zhí)行指令來達(dá)到多線程的，真正處理器就能同時處理一條指令，只是這種切換速度很快，我們根本不會感知到。為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都有一個獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域?yàn)椤熬€程私有”的內(nèi)存?！?strong>線程私有，多線程的實(shí)現(xiàn)

如果線程正在執(zhí)行的是一個 Java 方法，這個計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是 Native 方法，這個計(jì)數(shù)器值則為空（Undefined）。此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中沒有規(guī)定任何 OutOfMemoryError 情況的區(qū)域?！?strong>無內(nèi)存溢出

（二）java虛擬機(jī)棧

線程私有：Java 虛擬機(jī)棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，它的生命周期與線程相同，與線程同時創(chuàng)建。線程的生命周期請參考我的另一篇文章：線程的生命周期。

虛擬機(jī)棧描述的是 Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個方法在執(zhí)行的同時都會創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame，是方法運(yùn)行時的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）用于存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過程。

在活動線程中，只有位于棧頂?shù)膸攀怯行У?，稱為當(dāng)前棧幀。正在執(zhí)行的方法稱為當(dāng)前方法，棧幀是方法運(yùn)行的基本結(jié)構(gòu)。在執(zhí)行引擎運(yùn)行時，所有指令都只能針對當(dāng)前棧幀進(jìn)行操作。

（1）局部變量表

局部變量表是一組變量值的存儲空間，用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)部定義的局部變量。局部變量要顯示初始化，沒有默認(rèn)值。
存放了編譯期間可知的基本數(shù)據(jù)類型、對象引用類型（引用指針）和returnAddress類型（程序就是存儲在方法區(qū)的字節(jié)碼指令，指向特定指令內(nèi)存地址的指針）。

32位的數(shù)據(jù)類型占用一個局部變量空間（Slot），64位的long和double占2個。

在Java程序被編譯為Class文件時，就在方法的Code屬性（Java程序方法中的代碼經(jīng)過javac編譯之后形成字節(jié)碼存在了Code屬性內(nèi)）的max_locals數(shù)據(jù)項(xiàng)中確定了方法所需的分配的局部變量表的最大容量。

（2）操作數(shù)棧

操作棧是個初始狀態(tài)為空的桶式結(jié)構(gòu)棧。在方法執(zhí)行過程中， 會有各種指令往棧中寫入和提取信息。JVM 的執(zhí)行引擎是基于棧的執(zhí)行引擎， 其中的棧指的就是操作棧。

虛擬機(jī)把操作數(shù)棧作為它的工作區(qū)——大多數(shù)指令都要從這里彈出數(shù)據(jù)，執(zhí)行運(yùn)算，然后把結(jié)果壓回操作數(shù)棧。

i++ 和 ++i 的區(qū)別：
i++：從局部變量表取出 i 并壓入操作棧(load memory)，然后對局部變量表中的 i 
自增 1(add&store memory)，將操作棧棧頂值取出使用，如此線程從操作棧讀到的是自增之前的值。
++i：先對局部變量表的 i 自增 1(load memory&add&store memory)，然后取出并壓入操作
棧(load memory)，再將操作棧棧頂值取出使用，線程從操作棧讀到的是自增之后的值。

（3）動態(tài)鏈接

每個棧幀中包含一個在運(yùn)行時常量池中對所在方法的引用， 目的是支持方法調(diào)用過程的動態(tài)連接。

現(xiàn)有動態(tài)鏈接，再有棧幀。

（1）每一個棧幀當(dāng)中都包含指向運(yùn)行時常量池棧幀所屬方法的引用（invokedynamic指令）；

（2）在java源文件被編譯到字節(jié)碼文件中時，所有的變量和方法引用都作為符號引用保存在class文件的常量池里；
比如：描述一個方法調(diào)用的另外的其它方法時，就是通過常量池中指向該方法的符號引用來表示，那么動態(tài)鏈接的作用就是為了將這些符號引用轉(zhuǎn)換為調(diào)用方法的直接引用。

參考：https://www.zhihu.com/question/347395101

知乎上參考到的理解：

比如類里有個a方法，加載到了元空間的內(nèi)存地址：0x0000 0001號單元 然后運(yùn)行時常量池里把這個方法的符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用： a — 0x0000 0001。

然后調(diào)用a方法，創(chuàng)建棧幀，里面保存了常量池里指向a方法的這個直接引用 0x0000 0001。就可以從這個直接引用找到a方法代碼的入口執(zhí)行a方法。

線程切換恢復(fù)后也可以根據(jù)程序計(jì)數(shù)器（偏移量）結(jié)合這個引用，再次找到a方法在內(nèi)存中上次執(zhí)行到的位置，繼續(xù)執(zhí)行代碼。

什么是符號引用：

符號引用以一組符號來描述所引用的目標(biāo)，符號可以是任何形式的字面量，只要使用時能夠無歧義的定位到目標(biāo)即可。例如，在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等類型的常量出現(xiàn)。符號引用與虛擬機(jī)的內(nèi)存布局無關(guān)，引用的目標(biāo)并不一定加載到內(nèi)存中。在Java中，一個java類將會編譯成一個class文件。在編譯時，java類并不知道所引用的類的實(shí)際地址，因此只能使用符號引用來代替。比如org.simple.People類引用了org.simple.Language類，在編譯時People類并不知道Language類的實(shí)際內(nèi)存地址，因此只能使用符號org.simple.Language（假設(shè)是這個，當(dāng)然實(shí)際中是由類似于CONSTANT_Class_info的常量來表示的）來表示Language類的地址。

（4）方法返回地址

方法出口。

方法執(zhí)行時有兩種退出情況：

正常退出，即正常執(zhí)行到任何方法的返回字節(jié)碼指令；
異常退出。

無論何種退出情況，都將返回至方法當(dāng)前被調(diào)用的位置。方法退出的過程相當(dāng)于彈出當(dāng)前棧幀，退出可能有三種方式：

返回值壓入上層調(diào)用棧幀。
異常信息拋給能夠處理的棧幀。
PC計(jì)數(shù)器指向方法調(diào)用后的下一條指令。

（三）本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，它們之間的區(qū)別不過是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行 Java 方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則為虛擬機(jī)使用到的 Native 方法服務(wù)。Sun HotSpot 虛擬機(jī)直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。與虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會拋出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 異常。

（四）java堆

對于大多數(shù)應(yīng)用來說，Java 堆（Java Heap）是 Java 虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊。Java 堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動時創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對象實(shí)例，幾乎所有的對象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存?！€程共享

jdk1.8之后，字符串常量池從方法區(qū)移到了堆中。

堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時候也被稱做“GC堆”（Garbage Collected Heap）。

（1）從內(nèi)存回收的角度來看，由于現(xiàn)在收集器基本都采用分代收集算法，所以 Java 堆中還可以細(xì)分為：新生代和老年代；再細(xì)致一點(diǎn)的有 Eden 空間、From Survivor 空間、To Survivor 空間等。

（2）從內(nèi)存分配的角度來看，線程共享的 Java 堆中可能劃分出多個線程私有的分配緩沖區(qū)（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）。

Java 堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可，當(dāng)前主流的虛擬機(jī)都是按照可擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)的（通過 -Xmx 和 -Xms 控制）。如果在堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無法再擴(kuò)展時，將會拋出 OutOfMemoryError 異常。——內(nèi)存溢出

（五）方法區(qū)

作用：用于存儲已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

回收：垃圾收集行為在這個區(qū)域是比較少出現(xiàn)的，其內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對常量池的回收和對類型的卸載。

異常：當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時，將拋出 OutOfMemoryError 異常。

JDK8 之前，Hotspot 中方法區(qū)的實(shí)現(xiàn)是永久代（Perm），JDK8 開始使用元空間（Metaspace），以前永久代所有內(nèi)容的字符串常量移至堆內(nèi)存，其他內(nèi)容移至元空間，元空間直接在本地內(nèi)存分配，元空間的大小取決于本地內(nèi)存的大小。

運(yùn)行時常量池

運(yùn)行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區(qū)的一部分。Class 文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內(nèi)容將在類加載后進(jìn)入方法區(qū)的運(yùn)行時常量池中存放。

一般來說，除了保存 Class 文件中描述的符號引用外，還會把翻譯出來的直接引用也存儲在運(yùn)行時常量池中。

運(yùn)行時常量池相對于 Class 文件常量池的另外一個重要特征是具備動態(tài)性，Java 語言并不要求常量一定只有編譯期才能產(chǎn)生，也就是并非預(yù)置入 Class 文件中常量池的內(nèi)容才能進(jìn)入方法區(qū)運(yùn)行時常量池，運(yùn)行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發(fā)人員利用得比較多的便是 String 類的 intern() 方法。（當(dāng)調(diào)用 intern() 方法時，編譯器會將字符串添加到常量池中（stringTable維護(hù)），并返回指向該常量的引用。）

既然運(yùn)行時常量池是方法區(qū)的一部分，自然受到方法區(qū)內(nèi)存的限制，當(dāng)常量池?zé)o法再申請到內(nèi)存時會拋出 OutOfMemoryError 異常。

（六）直接內(nèi)存

直接內(nèi)存（Direct Memory）并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域。

在 JDK 1.4 中新加入了 NIO，引入了一種基于通道（Channel）與緩沖區(qū)（Buffer）的 I/O 方式，它可以使用 Native 函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，然后通過一個存儲在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 對象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因?yàn)楸苊饬嗽?Java 堆和 Native 堆中來回復(fù)制數(shù)據(jù)。

顯然，本機(jī)直接內(nèi)存的分配不會受到 Java 堆大小的限制，但是，既然是內(nèi)存，肯定還是會受到本機(jī)總內(nèi)存（包括 RAM 以及 SWAP 區(qū)或者分頁文件）大小以及處理器尋址空間的限制。服務(wù)器管理員在配置虛擬機(jī)參數(shù)時，會根據(jù)實(shí)際內(nèi)存設(shè)置 -Xmx 等參數(shù)信息，但經(jīng)常忽略直接內(nèi)存，使得各個內(nèi)存區(qū)域總和大于物理內(nèi)存限制（包括物理的和操作系統(tǒng)級的限制），從而導(dǎo)致動態(tài)擴(kuò)展時出現(xiàn) OutOfMemoryError 異常。

總結(jié)

如圖所示：

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容！