JVM 之 结构

前言

本节将学习一下JVM的基本结构以及各个组成部分的实际用途。并概要介绍一下JVM在启动后，作为操作系统的一个进程的基本结构，以及从操作系统角度看，JVM如何管理它从操作系统里申请来的内存的，也就是JVM的内存结构或者叫JVM内存模型。

JVM基本结构

JVM启动后，对操作系统来说，JVM是一个系统的进程，这个进程的基本结构如上图所示。它包括：类加载器子系统、运行时数据区、执行引擎和本地方法接口。

从操作系统角度看JVM的内存结构

按照Java虚拟机规范的规定，JVM自动管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域(特指运行时数据区)。

• 从结构出发
  
• 从线程私有出发
  

• 程序计数器
  程序计数器（Program Counter Register）是JVM中一块较小的内存区域，保存着当前线程执行的虚拟机字节码指令的内存地址。Java多线程的实现，其实是通过线程间的轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何时刻，处理器都只会执行一个线程中的指令。在多线程场景下，为了保证线程切换回来后，还能恢复到原先状态，找到原先执行的指令，所以每个线程都会设立一个程序计数器，并且各个线程之间不会互相影响，程序计数器为”线程私有”的内存区域。

  　　如果当前线程正在执行Java方法，则程序计数器保存的是虚拟机字节码的内存地址，如果正在执行的是Native方法（非Java方法，JVM底层有许多非Java编写的函数实现），计数器则为空。程序计数器是唯一一个在Java规范中没有规定任何OutOfMemory场景的区域。

• 虚拟机栈(STACK)

  • 与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口（返回地址）等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

    局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

    其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

    在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出*Error异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

  • 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）和线程是紧密联系的，每创建一个线程时就会对应创建一个Java栈，所以Java栈也是”线程私有”的内存区域，这个栈中又会对应包含多个栈帧，每调用一个方法时就会往栈中创建并压入一个栈帧，栈帧是用来存储方法数据和部分过程结果的数据结构，每一个方法从调用到最终返回结果的过程，就对应一个栈帧从入栈到出栈的过程。

    虚拟机栈是一个后入先出的数据结构，线程运行过程中，只有一个栈帧是处于活跃状态的，被称为”当前活动帧栈”，当前活动帧栈始终是虚拟机栈的栈顶元素。

    　　
    　　

• 本地方法栈
  本地方法栈（Native Method Stack）和虚拟机栈的作用相似，不过虚拟机栈是为Java方法服务的，而本地方法栈是为Native方法服务的。

• 方法区
  
  • 方法区（Method Area）是用于存储类结构信息的地方，包括常量池、静态变量、构造函数等类型信息，类型信息是由类加载器在类加载时从类文件中提取出来的。
  • 方法区同样存在垃圾收集，因为用户通过自定义加载器加载的一些类同样会成为垃圾，JVM会回收一个未被引用类所占的空间，以使方法区的空间达到最小。
  • 方法区中还存在着常量池，常量池包含着一些常量和符号引用（加载类的连接阶段中的解析过程会将符号引用转换为直接引用）。
  • 方法区是线程共享的。
• 堆
  
  • 对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存，同时每个对象包含一个与之对应的class信息。
  • Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。(后面在学习GC是我们将会详细学习Heap)。
  • 根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。
  • 如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。