JVM 学习笔记 - Java 虚拟机结构

Java 虚拟机结构

根据 Java 虚拟机规范，Java 的基本结构可归纳为如图所示：

类加载子系统

类加载子系统负责从文件系统或者网络中加载 Class 信息，加载的类信息会被存放在方法区，当然方法区不仅仅只存放类信息。

Java 运行时区域

运行时区域为 Java 虚拟在执行 Java 程序过程中所管理的内存区域，然后又根据不同的用途将这片区域再进一步划分为 线程共享区域 和 线程私有区域，其中 线程共享区域 包括 程序计数器 ，虚拟机栈，本地方法栈 三个部分，而 线程私有区域 包括 方法区 和 堆 两个部分。

程序计数器

很小的一片内存区域，也是唯一个 不会有 OutOfMemeryError 情况的区域。在线程切换时，为了保证切换后的线程能恢复到正确的执行位置，Java 虚拟机会为每个线程创建程序计数器，被用于记录当前线程所执行字节码的行号。每个线程的程序计数器都是互相独立的，互不影响。

虚拟机栈

虚拟机栈就是所谓的 Java 栈，它是 线程私有 的一块内存区域，虚拟机栈和线程执行密切相关，它的生命周期和线程相同。线程执行过程中的基本行为就是方法调用，在每个方法执行时，JVM 都会创建一个栈帧用于存储局部变量表，操作数栈，帧数据区等信息，每个方法从调用到执行完成，对应一个栈帧在虚拟机栈中入栈和出栈。

因为在函数调用过程中，都会有相应栈帧的创建与销毁，如果函数调用层次过深，导致栈空间不足以再创建栈帧，系统就会抛出 StackOverfloowError 栈溢出错误。如果虚拟机栈可以动态进行扩展，但是在扩展时，无法申请到足够的内存，则会抛出 OutOfMemeoryError 异常。

局部变量表

局部变量表用于保存函数的参数以及局部变量，局部变量表的生命周期开始于栈帧的创建，结束于栈帧的销毁。它存放了编译期可知的各种基本数据类型，对象引用类型，和 returnAdress 类型

操作数栈

操作数栈主要用于保存计算过程的中间结果。

帧数据区

帧数据区内有用来支持方法返回的数据，异常处理表。另外帧数据区内还有访问常量池的指针，以便程序访问常量池

本地方法栈

对比虚拟机栈，虚拟机栈服务于 Java 方法，而本地方法栈主要用来服务 Native 方法。

了解完线程私有区域，下面就来了解线程共享区域：方法区和堆。

堆

Java 堆是 JVM 结构中最大的一块，它可以是物理上不连续的内存空间，只要逻辑上连续就行。

Java 堆是 所有线程共享的区域，几乎所有的对象实例都会存放在堆中。在 Java 虚拟机规范中：所有的对象实例以及数据都会在堆上分配。但是随着现在一些技术的发展，比如说可以利用逃逸分析技术，将线程私有的对象打散分配在虚拟机栈上。

堆中存放了大量的实例对象，所以它也是垃圾回收管理的主要区域。垃圾回收技术主流的算法有：标记-清除算法，复制算法，标记-整理算法。HotSpot 采用的是分代收集算法，它将 Java 堆划分为：新生代 和 老年代，其中新生代存储 新生对象 或者 年龄较小 的对象，而老年代存放 大对象 和 年龄较大 的对象。新生代又被分为 eden 区，From Survivor空间,To Survivor 空间，From Survivor空间,To Survivor 空间又被称为：s0 区，s1区，或者 from 区和 to 区。 Java 虚拟机对堆进行如此细致的划分，主要还是为了更好的分配和回收内存，以便于管理如此众多的对象实例。

方法区

方法区用于存储已被类加载子系统加载的类信息，常量，静态变量等数据。

方法区只是 JVM 规范中定义的一个概念，不同的虚拟机可能有不同的实现方式。HotSpot 则采用 永久代(Permanenet Generation) 实现方法区，使用 GC 分代算法对方法区进行管理。永久代只是 HotSpot 特有的一种概念，在别的虚拟机是不存在这个概念的，在 JDK 1.7 中，HotSpot 已将永久代移除，用元数据区取代。

运行时常量池 是方法区的一部分，它用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的常量池中存放。 GC 回收作用于方法区时，主要目标是对常量池回收和对类型的卸载，JVM 虚拟机规范规定，当方法区无法再进行内存分配时，将抛出 OutOfMemoryError 异常。

直接内存

直接内存区域是一个堆外内存，它独立于运行时数据区。主要被 NIO 类用于通道(Channel)和缓冲区的 IO 操作，它通过 Native 函数库进行分配，然后在 Java 堆中使用 DirectByteBuffer 对象进行引用操作。

垃圾回收系统

垃圾回收系统主要关注的是 Java 堆 和 方法区，因为线程私有区域内存随着线程而生，随着线程而.Java 虚拟机栈的栈帧随着方法的执行和退出进行入栈和出栈操作，这几个区域的内存分配和回收都具备确定性，线程和方法的结束，内存就会被自然的回收掉。但是 Java 堆和方法区则不同，这部分区域只有在程序运行期间才知道哪些对象会被创建，这部分内存的分配和回收都需要根据运行时情况进行灵活处理。

在进行垃圾回收时，首先先要判断对象是否已死，目前虚拟机采用的是可达性分析算法，这个算法的主要思想是通过一系列的 GC Roots 对象作为起始点，然后开始向下搜索，搜索过程中所走的路径成为 引用链，当一个对象对 GC Roots 没有任何引用链相连时，则标记改对象是不可达，被列为可回收对象。 标记完对象后，下一步就是使用某种算法将对象回收，目前主流的回收算法有：标记-清除算法，复制算法，标记-整理算法。HotSpot 中，对堆内存先进行分代处理，然后新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理算法。