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JVM的整体结构和生命周期

分类: 文章 • 2024-07-16 10:31:22

1. JVM 的整体结构

JVM的整体结构和生命周期

详细图：

JVM的整体结构和生命周期

上图中，我们可以根据位置，暂且分为三层结构。

1.1上层：

​ Java虚拟机是用来解释运行字节码文件的，所以它的入口原材料是 Class Files， 字节码文件首先要经过类装载器子系统（Class Loader SubSystem），类装载器子系统的作用就是将class files 文件加载到内存中，生成一个大的class 对象。 在这个过程中，就会涉及到加载（loading）、链接（Lingking）、初始化（Initialization）。

1.2中层：

运行时数据区（Runtime Data Area）。当字节码文件经过类装载器子系统时，会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域各有各自的用途、以及创建时间和销毁时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

在多个线程当中，它们是共享方法区和堆的；对于Java虚拟机栈、本地方法栈以及程序计数器是每个线程单独拥有一份的

下面进行单独讲解这几块区域：

1.2.1.程序计数器

线程私有　**占据一块较小的内存空间，可以看做当前线程所执行的字节码的行号指示器。**在虚拟机概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支，循环，跳转，异常处理，线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于jvm的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。因此未来线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们成这类内存区域为“线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的则是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是Native方法，这个计数器则为空（undefined）。

此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

1.2.2.Java虚拟机

​ 线程私有，生命周期和线程相同，虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型，每个方法在执行的同时都会创建一个 栈帧（Stack Frame） 用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。每一个方法从调用直至完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本类型数据（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用、returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）表示。其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量表空间（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完成分配，当进入一个方法时，这个方法所需要在栈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，对此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，将会抛出Stack OverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

1.2.3 本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用非常相似，他们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机中使用到的native方法服务。

在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以*实现它。甚至有的虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一，与虚拟机栈一样也会抛出Stack OverflowError异常和OutOfMemoryError异常。

1.2.4Java堆

对于大多数应用来说，堆空间是jvm内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享，虚拟机启动时创建，此内存区域唯一的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。这一点在Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展和逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配，标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也就变得不那么绝对了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称为“GC堆”。从内存回收角度看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆还可以细分为：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。从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区。不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好的回收内存，或者更快的分配内存。（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。）

1.2.5方法区（也有人叫永久代）

和堆一样所有线程共享，主要用于存储已被jvm加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

在JDK 6 的时候，HotSpot 开发团队就有放弃永久代，逐步改为采用本地内存（Native Memory）来实现方法区的计划

到 JDK 7 时，HotSpot 开发团队已经把原本放在永久代中的字符串常量池、静态变量等 移除

而到了 JDK 8 时，已经完全放弃了 永久代的概念，改用与JRockit、J9 一样在本地内存中实现的元空间（Meta-space），把 JDK 7 中的剩余内容（主要是类型信息）全部移动到元空间中。

（在JDK1.7发布的HotSpot中，已经把字符串常量池移除方法区了。）

1.3下层

执行引擎：它又分为三份内容：解释器、JIT即时编译器和垃圾回收器， 当字节码文件加载到内容当中，就要进行解释运行了，那么就要用到我们的解释器。 如果只用解释器，那么执行效率会比较低，那么我们就要用到 JIT即时编译器， 它能够提前将文件进行编译。（该编译器可以成为编译器的后端， 编译成字节码文件的称为编译器前端）

2. 对象的创建

当虚拟机一个对象的创建，会进行如下步骤：

2.1 当虚拟机遇到一条New指令时：会进行如下步骤

  1. 检查指令的参数（即工作中我们New的对象），能否在常量池中找到它的符号引用。
  2. 如果存在，检查符号引用代表的类是否被加载、解析、初始化过。（如果没有则执行相应的类的加载-----相关加载过程参考《Jvm类的加载机制》）。
  3. 加载通过后，虚拟机将为新生对象分配内存。（所需内存大小在类加载完成后便可确定）

2.2 为新生对象分配内存

  1. 对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务实际上便是等同于把一块确定大小的内存块从 Java 堆中划分出来。

  2. 两种内存分配的方式：

    1. 指针碰撞：假设Java堆中的内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边。中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针往空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。这种方式则属于指针碰撞。
    2. 空闲列表：如果堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲内存相互交错，显然无法使用指针碰撞。虚拟机就必须维护一个列表，记录哪些内存是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新记录表上的数据。这种方式属于空闲列表。
    3. 具体选择哪种分配方式由Java堆决定，而Java堆是否规整，则有GC收集器决定。因此使用Serial、ParNew等带Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞。而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，通常采用的空闲列表

  3. 如何保证分配内存时线程的安全性？

    1. 对分配内存的动作进行同步处理（实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的机制保证了更新操作的原子性）
    2. 把分配内存的动作按照线程划分在不同的空间之中进行（即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存（称为本地线程分配缓冲，哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓存区中分配，只有本地缓存区用完了，分配新的缓存时才会同步锁定））。

2.3 Java虚拟机进行对象进行必要设置：

例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。

2.4 完成对象创建

在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了。但是从Java程序的视角看来，对象创建才刚开始——构造函数，即Class文件中的(方法还没有执行，所有的字段都为默认的零值，对象需要的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构造好。

一般来说(由字节码流中new指令后面是否跟随invokespecial指令所决定，Java编译器会在遇到new关键字的地方同时生成这两条字节码指令，但如果直接通过其他方式产生的则不一定 如此)，new 指令之后会接着执行()方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样 一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

3. JVM的生命周期

3.1 虚拟机的启动

Java虚拟机的启动是通过引导类加载（bootstrap class loader） 黄健的一个初始类（initial class ）来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现实现指定的。

3.2 虚拟机的执行

一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序；程序开始执行时它才运行，程序结束时它就结束；执行一个所谓的Java程序的时候，真正执行的是一个叫做Java虚拟机的进程。

3.3 虚拟机的退出

有以下几种情况：

  • 程序正常执行结束
  • 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
  • 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止
  • 某线程调用 Runtime 类或System 类 的exit 方法， 或 Runtime 类的 halt 方法，并且 Java 安全管理器也允许这次 exit 或 half 操作

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