Java虚拟机与内存结构详解-优快云博客

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什么是JVM

JVM是java虚拟机（Java Virtual Machine）。java虚拟机是啥呢，就是跑java程序（.class文件）的虚拟机。
JVM最大的特点是跨平台，一次编译，多处运行。编译成.class文件后，可以在windows、linux等服务器运行。
如何实现的跨平台呢？jdk有linux的、windows的，32位的、64位的。通过jdk对系统的适配，实现跨平台。
JVM里都有啥？jvm包含类装载子系统、运行时数据区（常说的jvm内存结构）、字节码执行引擎。
类加载器子系统负责加载程序中的类型（类和接口）。执行引擎负责执行被加载类中包含的指令。虚拟机跑起来，当然需要内存，我们称为：运行时数据区（Runtime Data Area）
JVM内存结构中都有啥？多个线程公有的部分：堆、方法区（里面包含常量池）。线程私有的部分：栈、本地方法栈、程序计数器。
还有个概念是java内存模型（JMM）
下图不是java内存模型，是java内存结构。java内存结构是真实存在的，而java内存模型

JDK、JRE与JVM

上面简单介绍了JVM，可咱们平时接触的实物是JDK、JRE。他们之间有什么关系呢？

JDK：JDK(Java Development Kit) 是 Java语言的软件开发工具包(SDK)。在JDK的安装目录下有一个jre目录，里面有两个文件夹bin和lib，在这里可以认为bin里的就是jvm，lib中则是jvm工作所需要的类库，而jvm和lib合起来就称为jre。
JRE：JRE（Java Runtime Environment，Java运行环境），包含JVM标准实现及Java核心类库。JRE是Java运行环境，并不是一个开发环境，所以没有包含任何开发工具（如编译器和调试器）。
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。

综上所述：jdk包含jre，jre包含jvm。

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下面是官网对jdk、jre、jvm介绍的图片。图片取自
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/index.html

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从java文件到class文件

平时写程序写的是.java文件，这是程序源码，如何部署运行在服务器上呢？

通过开发工具如eclipse、idea，编写.java文件。
然后开发工具会编译成.class文件，或者通过javac命令将.java文件编译成.class文件，生成jar包或者war包。
服务器上安装jdk，如linux系统安装linux对应的jdk。
服务器上通过Tomcat等中间件，运行war包或者jar包。

这里还有java编译器的内容，以后学习

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java运行时数据区

java堆。线程公有
方法区。线程公有
java虚拟机栈。线程私有
本地方法栈。线程私有
程序计数器。线程私有

java堆

堆是java虚拟机管理的最大一块内存，堆线程公有的一块内存，在虚拟机启动时创建。该区域是存放对象的实例，所有的对象都在堆上分配内存。
java堆是垃圾回收器主要工作的区域。
对可以按照可扩展来实现（通过-Xmx 和-Xms 来控制）
当队中没有内存可分配给实例，也无法再扩展时，则抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区是线程公有的区域，存放已经被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译的代码等数据。

java虚拟机栈

java虚拟机栈是线程私有的，它的生命周期与线程相同。
java虚拟机栈是描述java方法执行的内存模型。每个方法在执行的同时，会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链表、方法出口等信息。每个方法从调用到执行完成的过程，对应着栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

虚拟机栈中存储的数据类型如下：

局部变量表，存放的是编译器可知的各种基本数据类型boolean、byte、char、short、int、float、long、double，对象引用
操作数栈
动态链表
方法出口
等等

每个方法从调用到执行完毕，对应一个栈帧在虚拟机栈中的入栈和出栈。
通常所说的栈，一般是指在虚拟机栈中的局部变量部分。
局部变量所需内存在编译期间完成分配，
如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，则StackOverflowError。
如果虚拟机栈可以动态扩展，扩展到无法申请足够的内存，则OutOfMemoryError。
每个线程都分配一个栈内存区域。
每个方法对应一个栈帧。

本地方法栈

与java虚拟机栈类似，主要是为虚拟机使用到的native方法服务，同样是线程私有的

程序计数器

程序计数器是一块儿较小的内存空间，可以看成是当前线程所执行字节码行号指示器。
因为java的多线程是通过多个线程流转切换并分配处理器执行时间来实现的，因此在任意一个时刻，一个处理器只会执行一个线程的指令，因此为了线程切换后能恢复到指定位置，每个线程都有个独立的程序计数器，可以看出程序计数器是线程私有的。

若执行java方法，程序计数器记录的是当前指令的地址；
若执行native方法，记录的是空；

多个线程cpu调度时，会线程之间切换，如线程1切换到线程2，线程2再切换到线程1。当切换到线程2时就会根据程序计数器中记录的当前指令，继续执行

java内存结构总结

每个线程有独立的程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈。
如果执行本地方法，会将该本地方法压入到本地方法栈中，并以动态链接的形式链接到本地方法中，程序计数器中存储的是undefined；如果执行的是java方法，会将java方法压入到java虚拟机栈中，程序计数器中存储的是方法的返回地址。
虚拟机栈中存有每个方法的栈帧，调用一个方法则压入一个栈帧。
栈帧中有局部变量表、操作数栈、动态链表、方法出口。
局部变量表中存储方法的参数变量若为引用类型，则存储的是针，指针指向堆中的对象。
堆中的对象指向方法区中的类信息，说明这个对象是什么类型。
堆中的对象包括对象头、实例数据、对齐填充（后面详解）
知道了java的内存结构，如何优化？（后面详解）

类加载子系统

类加载子系统是负责从文件系统或者网络中加载class文件到jvm内存中，class文件在文件开头有特定的文件标识。
ClassIoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。
加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区中还会存放运行时常量池信息，可能还包括字符串字面量和数字常量（这部分常量信息是Class文件中常量池部分的内存映射）

字节码执行引擎

执行引擎是 Java 虚拟机最核心的组成部分之一。“虚拟机” 是一个相对于 “物理机” 的概念，这两种机器都有代码执行能力，其区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、硬件、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由自己实现的，因此可以自行制定指令集与执行引擎的结构体系，并且能够执行哪些不被硬件直接支持的指令集格式。

在不同的虚拟机实现里面，执行引擎在执行Java代码的时候可能会有解释执行（通过解释器执行）和编译器执行（通过即时编译器产生本地代码执行）两种选择，所有的Java虚拟机的执行引擎都是一致的：输入的是字节码文件，处理过程是字节码解析的等效过程，输出的是执行结果。

每个字节码指令都由一个1字节的操作码和附加的操作数组成。