深入浅出 Java 虚拟机（一）JVM 基础与其内存管理

本文章为《深入浅出 Java 虚拟机》系列课程学习笔记，侵删。学习地址为深入浅出 Java 虚拟机

1 如何理解 JVM ？

JVM，又称 Java Virtual Machine，Java 虚拟机。它能识别 .class 后缀的文件，并且能够解析它的指令，最终调用操作系统上的函数，完成我们想要的操作。

事实上，我们可以把 JVM 等同于操作系统，把 Java 字节码等同于汇编语言。我们也可以把 JVM 看作是一个翻译器，持续不断的翻译执行 Java 字节码，然后调用真正的操作系统函数。

JVM 解决了字节码加载、自动垃圾回收、并发等一系列问题。JVM 其实是一个规范，定义了 .class 文件的结构、加载机制、数据存储、运行时栈等诸多内容，最常用的 JVM 实现就是 Hotspot。
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2 Java 的跨平台性

JVM 只需要保证能够正确执行 .class 文件，就可以运行在诸如 Linux、Windows、MacOS 等平台上。

而 Java 跨平台的意义在于一次编译，处处运行，能够做到这一点 JVM 功不可没。比如我们在 Maven 仓库下载同一版本的 jar 包就可以到处运行，不需要在每个平台上再编译一次。

3 C++ 与 Java 编译的不同

C++ 程序是编译成操作系统能够识别的 .exe 文件，而 Java 程序是编译成 JVM 能够识别的 .class 文件，然后由 JVM 负责调用系统函数执行程序。

4 JVM、JRE、JDK的关系

JVM 是 Java 程序能够运行的核心，虽然它功能强大，但它也需要生产原料 .class 文件。如果只有 JVM，是无法完成一次编译，处处运行的。它需要一个基本的类库，比如怎么操作文件、怎么连接网络等。Java 会一次性将 JVM 运行所需的类库都传递给它。JVM 标准加上实现的一大堆基础类库，就组成了 Java 的运行时环境，也就是我们常说的 JRE。

如果是只需要执行一些 Java 程序，只需要一个 JRE 就足够了。至于 JDK，不仅包括 JRE，还提供了一些非常好用的小工具，比如 javac、java、jar 等，它是 Java 开发的核心。

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5 Java 代码到底是如何运行起来的

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World");
    }
}

这里，我们调用了 System.out 等模块，也就是 JRE 里提供的类库。在我们使用 JDK 的工具 javac 进行编译后，会产生 HelloWorld 的字节码。Java 字节码是沟通 JVM 与 Java 程序的桥梁，下面我们使用 javap 来看一下字节码到底长什么样子。

0 getstatic #2 <java/lang/System.out>
3 ldc #3 <Hello World>
5 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
8 return

Java 虚拟机采用基于栈的架构，其指令由操作码和操作数组成。这些字节码指令，就叫作 opcode。opcode 有一个字节的长度(0~255)，意味着指令集的操作码个数不能超过 256 条。而紧跟在 opcode 后面的是被操作数。

JVM 就是靠解析这些 opcode 和操作数来完成程序的执行的。当我们使用 Java 命令运行 .class 文件的时候，实际上就相当于启动了一个 JVM 进程。

然后 JVM 会翻译这些字节码，它有两种执行方式。常见的就是解释执行，将 opcode + 操作数翻译成机器代码；另外一种执行方式就是 JIT，也就是我们常说的即时编译，它会在一定条件下将字节码编译成机器码之后再执行。

而 JVM 的程序运行，都是在栈上完成的，这和其他普通程序的执行是类似的，同样分为堆和栈。比如我们现在运行到了 main 方法，就会给它分配一个栈帧。当退出方法体时，会弹出相应的栈帧。你会发现，大多数字节码指令，就是不断的对栈帧进行操作。

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一个 Java 程序，首先经过 javac 编译成 .class 文件，然后 JVM 将其加载到元数据区，执行引擎将会通过混合模式（Java 虚拟机采用基于栈的架构，有比较丰富的 opcode。这些字节码可以解释执行，也可以编译成机器码，运行在底层硬件上，可以说 JVM 是一种混合执行的策略）执行这些字节码。执行时，会翻译成操作系统相关的函数。JVM 作为 .class 文件的黑盒存在，输入字节码，调用操作系统函数。

过程如下：Java 文件 -> 编译器 > 字节码 -> JVM -> 机器码。

6 JVM 的内存布局

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Java 8 及之后的版本，彻底移除了持久代，而使用 Metaspace 来进行替代。从上图中我们可以得知：

JVM 堆中的数据是共享的，是占用内存最大的一块区域。
可以执行字节码的模块叫作执行引擎。
执行引擎在线程切换时怎么恢复？依靠的就是程序计数器。
JVM 的内存划分与多线程是息息相关的。像我们程序中运行时用到的栈，以及本地方法栈，它们的维度都是线程。
本地内存包含元数据区和一些直接内存。

虚拟机栈

Java 虚拟机栈是基于线程的。哪怕你只有一个 main() 方法，也是以线程的方式运行的。在线程的生命周期中，参与计算的数据会频繁地入栈和出栈，栈的生命周期是和线程一样的。

栈里的每条数据，就是栈帧。在每个 Java 方法被调用的时候，都会创建一个栈帧，并入栈。一旦完成相应的调用，则出栈。所有的栈帧都出栈后，线程也就结束了。每个栈帧，都包含四个区域：

局部变量表
操作数栈
动态连接
返回地址

这里有一个两层的栈。第一层是栈帧，对应着方法；第二层是方法的执行，对应着操作数。所有的字节码指令，其实都会抽象成对栈的入栈出栈操作。执行引擎只需要傻瓜式的按顺序执行，就可以保证它的正确性。

本地方法栈

本地方法栈是和虚拟机栈非常相似的一个区域，它服务的对象是 native 方法，你甚至可以认为虚拟机栈和本地方法栈是同一个区域。

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，它的作用可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。这里面存的，就是当前线程执行的进度。
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程序计数器也是因为线程而产生的，与虚拟机栈配合完成计算操作。程序计数器还存储了当前正在运行的流程，包括正在执行的指令、跳转、分支、循环、异常处理等。

0 getstatic #2 <java/lang/System.out>
3 ldc #3 <Hello World>
5 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
8 return

我们在上面的内容中分析了 HelloWorld 的字节码，可以看到在每个 opcode 前面，都有一个序号，可以认为它们是程序计数器的内容。

堆

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堆是 JVM 上最大的内存区域，我们申请的几乎所有的对象，都是在这里存储的。我们常说的垃圾回收，操作的对象就是堆。堆是所有线程共享的。

随着对象的频繁创建，堆空间占用的越来越多，就需要不定期的对不再使用的对象进行回收。这个在 Java 中，就叫作 GC。

那一个对象创建的时候，到底是在堆上分配，还是在栈上分配呢？这和两个方面有关：对象的类型和在 Java 类中存在的位置。

Java 的对象可以分为基本数据类型和普通对象。对于普通对象来说，JVM 会首先在堆上创建对象，然后在其他地方使用的其实是它的引用。比如，把这个引用保存在虚拟机栈的局部变量表中。

而对于基本数据类型来说（byte、short、int、long、float、double、char)，有两种情况。我们上面提到，每个线程拥有一个虚拟机栈。当你在方法体内声明了基本数据类型的对象，它就会在栈上直接分配。其他情况，都是在堆上分配。

注意，像 int[] 数组这样的内容，是在堆上分配的。数组并不是基本数据类型。

最后，我们可以来看一下这个 returnAdress，这种类型只存在于字节码层面，所以我们平常打交道的比较少。对于 JVM 来说，程序就是存储在方法区的字节码指令，而 returnAddress 类型的值就是指向特定指令内存地址的指针。

元空间

我们之前生成的 .class 文件，是放在 JVM 的哪个区域的？想要问答这个问题，就不得不提下 Java 的历史。在 Java 8 之前，这些类的信息是放在一个叫 Perm 区的内存里面的。更早版本，甚至 String.intern 相关的运行时常量池也放在这里。这个区域有大小限制，很容易造成 JVM 内存溢出，从而造成 JVM 崩溃。

Perm 区在 Java 8 中已经被彻底废除，取而代之的是 Metaspace。原来的 Perm 区是在堆上的，现在的元空间是在非堆上的，这是背景。关于它们的对比，可以看下这张图。

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然后，元空间的好处也是它的坏处。使用非堆可以使用操作系统的内存，JVM 不会再出现方法区的内存溢出；但是，无限制的使用会造成操作系统的死亡。所以，一般也会使用参数 -XX:MaxMetaspaceSize 来控制大小。

方法区，作为一个概念，依然存在。它的物理存储的容器，就是 Metaspace。这个区域存储的内容，包括：类的信息、常量池、方法数据、方法代码。

常见问题

1 我们常说的字符串常量，存放在哪呢？

由于字符串常量池，在 Java 7 之后，放到了堆中，我们创建的字符串，将会在堆上分配。

JVM 中存在多个常量池。字符串常量池，已经移动到堆上（jdk8 之前是 perm 区），也就是执行 intern 方法后存的地方。至于类文件常量池，constant_pool，是每个类每个接口所拥有的，这部分数据在方法区，也就是元数据区。而运行时常量池是在类加载后的一个内存区域，它们都在元空间。

2 堆、非堆、本地内存，有什么关系？

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JVM 在运行时，会从操作系统申请大块的堆内内存，进行数据的存储。但是，堆外内存也就是申请后操作系统剩余的内存，也会有部分受到 JVM 的控制。比较典型的就是一些 native 关键词修饰的方法，以及对内存的申请和处理。

Geffin

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