JVM结构整理

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本文详细介绍了Java虚拟机(JVM)的组成与工作原理，包括类加载器、运行时常量区、执行引擎等关键组件的功能与作用。此外还探讨了JVM的内存管理机制及其垃圾回收策略。

JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。当执行class命令时，即启动了一个JVM实例。
在JVM specification中没有明确的JVM构成图，从网上摘抄了最流行的结构图如下，主要包括类加载器（ClassLoader），运行时数据区（Run-time Data Area），执行引擎（Execution Engine）。JVM 框架由类加载器加载二进制文件，然后执行引擎在内存中处理这些二进制编码，与异构系统交互通过JNI进行。

1.ClassLoader

JVM本身包含了一个ClassLoader称为Bootstrap ClassLoader。和JVM一样，Bootstrap ClassLoader是用本地代码实现的，它负责加载核心JavaClass（jre/lib目录下的类）。另外JVM还会提供两个ClassLoader，它们都是用Java语言编写的，由Bootstrap ClassLoader加载；其中Extension ClassLoader负责加载扩展的Javaclass（jre/lib/ext目录下的类），Application ClassLoader负责加载应用程序自身的类。

2.Run-time Data Area

运行时常量区分为6部分，其中PC程序寄存器、JVM栈、本地方法栈，在每个线程创建时为每个线程创建。堆、方法区、运行时常量池由所有线程共享，在JVM启动时创建。

2.1 PC Register

每个线程都有一个程序计数器，就是一个指针，指向方法区中的方法字节码，由执行引擎读取下一条指令。

2.2 Stack

栈中的数据都是以栈帧（ Stack Frame ）的格式存在。栈帧中主要保存3 类数据：本地变量（Local Variables ），包括输入参数和输出参数以及方法内的变量；栈操作（Operand Stack ），记录出栈、入栈的操作；栈帧数据（Frame Data ），包括类文件、方法等等。当一个函数执行时产生一个栈帧，并压入栈中，执行完毕后弹栈。

2.3 Native Method Stack

用于执行通过JNI接口调用的非Java代码的堆栈。

2.4 Heap

存储Java程序创建的类实例，所有线程共享。其大小可以通过-Xmx和-Xms来控制。堆被划分为新生代和旧生代，新生代又被进一步划分为Eden和Survivor区，最后Survivor由FromSpace和ToSpace组成。新建的对象都是用新生代分配内存，Eden空间不足的时候，会把存活的对象转移到Survivor中，新生代大小可以由-Xmn来控制，也可以用-XX:SurvivorRatio来控制Eden和Survivor的比例。旧生代存放新生代中经过多次垃圾回收仍然存活的对象。
JVM分别对新生代和旧生代采用不同的垃圾回收机制。

2.5 Method Area

存放了要加载的类信息、静态变量、final类型的常量、属性和方法信息。JVM用持久代（PermanetGeneration）来存放方法区，可通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来指定最小值和最大值。

2.6 Run-time Constant Pool

方法区内部有一个非常重要的区域，叫做运行时常量池（Runtime Constant Pool，简称 RCP）。在字节码文件中有常量池（Constant Pool Table），用于存储编译器产生的字面量和符号引用。每个字节码文件中的常量池在类被加载后，都会存储到方法区中。值得注意的是，运行时产生的新常量也可以被放入常量池中，比如 String 类中的 intern() 方法产生的常量。

Execution Engine

执行引擎将classloader加载的二进制文件，翻译成JVM操作指令码并执行。

内存管理

对象及数组不会被显示释放，垃圾回收器会自动回收它们。此过程如下：

新的对象和数组被创建并放到年轻代中；
一次小的垃圾收集会在年轻代上执行，如果对象存活下来，则它们将被从eden空间移动到survivor空间；
主垃圾收集（Major）执行，它会引起应用线程停止运行，也即stop-the-world，同时会在不同的“代”中移动对象。经过此次垃圾回收后，如果对象仍然存活，则它们会被从年轻代移动到老年代。
在每次老年代被回收时永久代也被回收，当任何一个空间满时，它们都会被回收。

参考文件：
1. http://www.cubrid.org/blog/dev-platform/understanding-jvm-internals/
2. http://www.cnblogs.com/redcreen/archive/2011/05/04/2036387.html
3. http://thw.iteye.com/blog/953869