JVM虛擬機詳解

rottengeek 發(fā)布于2019-08-19 11:00 / 3476人閱讀

摘要：虛擬機包括一套字節(jié)碼指令集一組寄存器一個棧一個垃圾回收堆和一個存儲方法域。而使用虛擬機是實現(xiàn)這一特點的關鍵。虛擬機在執(zhí)行字節(jié)碼時，把字節(jié)碼解釋成具體平臺上的機器指令執(zhí)行。此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在虛擬機規(guī)范中沒有規(guī)定任何情況的區(qū)域。

1、什么是JVM？

　　JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫，JVM是一種用于計算設備的規(guī)范，它是一個虛構(gòu)出來的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現(xiàn)的。Java虛擬機包括一套字節(jié)碼指令集、一組寄存器、一個棧、一個垃圾回收堆和一個存儲方法域。 JVM屏蔽了與具體操作系統(tǒng)平臺相關的信息，使Java程序只需生成在Java虛擬機上運行的目標代碼（字節(jié)碼）,就可以在多種平臺上不加修改地運行。JVM在執(zhí)行字節(jié)碼時，實際上最終還是把字節(jié)碼解釋成具體平臺上的機器指令執(zhí)行。

　　Java語言的一個非常重要的特點就是與平臺的無關性。而使用Java虛擬機是實現(xiàn)這一特點的關鍵。一般的高級語言如果要在不同的平臺上運行，至少需要編譯成不同的目標代碼。而引入Java語言虛擬機后，Java語言在不同平臺上運行時不需要重新編譯。Java語言使用Java虛擬機屏蔽了與具體平臺相關的信息，使得Java語言編譯程序只需生成在Java虛擬機上運行的目標代碼（字節(jié)碼），就可以在多種平臺上不加修改地運行。Java虛擬機在執(zhí)行字節(jié)碼時，把字節(jié)碼解釋成具體平臺上的機器指令執(zhí)行。這就是Java的能夠“一次編譯，到處運行”的原因。

2、JRE/JDK/JVM是什么關系？

　　JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java運行環(huán)境)，也就是Java平臺。所有的Java 程序都要在JRE下才能運行。普通用戶只需要運行已開發(fā)好的java程序，安裝JRE即可。
JDK(Java Development Kit)是程序開發(fā)者用來來編譯、調(diào)試java程序用的開發(fā)工具包。JDK的工具也是Java程序，也需要JRE才能運行。為了保持JDK的獨立性和完整性，在JDK的安裝過程中，JRE也是安裝的一部分。所以，在JDK的安裝目錄下有一個名為jre的目錄，用于存放JRE文件。
　　JVM(JavaVirtualMachine，Java虛擬機)是JRE的一部分。它是一個虛構(gòu)出來的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現(xiàn)的。JVM有自己完善的硬件架構(gòu)，如處理器、堆棧、寄存器等，還具有相應的指令系統(tǒng)。Java語言最重要的特點就是跨平臺運行。使用JVM就是為了支持與操作系統(tǒng)無關，實現(xiàn)跨平臺。

3、JVM原理

　　Java編譯器只要面向JVM，生成JVM能理解的代碼或字節(jié)碼文件。Java源文件經(jīng)編譯成字節(jié)碼程序，通過JVM將每一條指令翻譯成不同平臺機器碼，通過特定平臺運行。

4、JVM的體系結(jié)構(gòu)

（1）java棧內(nèi)存，它等價于C語言中的棧，棧的內(nèi)存地址是不連續(xù)的，每個線程都擁有自己的棧。棧里面存儲著的是StackFrame，在《JVM Specification》中文版中被譯作java虛擬機框架，也叫做棧幀。StackFrame包含三類信息：局部變量，執(zhí)行環(huán)境，操作數(shù)棧。局部變量用來存儲一個類的方法中所用到的局部變量。執(zhí)行環(huán)境用于保存解析器對于java字節(jié)碼進行解釋過程中需要的信息，包括：上次調(diào)用的方法、局部變量指針和操作數(shù)棧的棧頂和棧底指針。操作數(shù)棧用于存儲運算所需要的操作數(shù)和結(jié)果。StackFrame在方法被調(diào)用時創(chuàng)建，在某個線程中，某個時間點上，只有一個框架是活躍的，該框架被稱為Current Frame，而框架中的方法被稱為Current Method，其中定義的類為Current Class。局部變量和操作數(shù)棧上的操作總是引用當前框架。當Stack Frame中方法被執(zhí)行完之后，或者調(diào)用別的StackFrame中的方法時，則當前棧變?yōu)榱硗庖粋€StackFrame。Stack的大小是由兩種類型，固定和動態(tài)的，動態(tài)類型的?？梢园凑站€程的需要分配。下面兩張圖是關于棧之間關系以及棧和非堆內(nèi)存的關系基本描述：

（2） Java堆是用來存放對象信息的，和Stack不同，Stack代表著一種運行時的狀態(tài)。換句話說，棧是運行時單位，解決程序該如何執(zhí)行的問題，而堆是存儲的單位，解決數(shù)據(jù)存儲的問題。Heap是伴隨著JVM的啟動而創(chuàng)建，負責存儲所有對象實例和數(shù)組的。堆的存儲空間和棧一樣是不需要連續(xù)的。

（3）程序計數(shù)寄存器，程序計數(shù)器（Program Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用可以看做是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型里（僅是概念模型，各種虛擬機可能會通過一些更高效的方式去實現(xiàn)），字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成。

　　由于Java 虛擬機的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時間的方式來實現(xiàn)的，在任何一個確定的時刻，一個處理器（對于多核處理器來說是一個內(nèi)核）只會執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數(shù)器，各條線程之間的計數(shù)器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域為“線程私有”的內(nèi)存。如果線程正在執(zhí)行的是一個Java 方法，這個計數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是Natvie 方法，這個計數(shù)器值則為空（Undefined）。此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在Java 虛擬機規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError 情況的區(qū)域。

（4）方法區(qū)域（Method Area），在Sun JDK中這塊區(qū)域?qū)臑镻ermanetGeneration，又稱為持久代。方法區(qū)域存放了所加載的類的信息（名稱、修飾符等）、類中的靜態(tài)變量、類中定義為final類型的常量、類中的Field信息、類中的方法信息，當開發(fā)人員在程序中通過Class對象中的getName、isInterface等方法來獲取信息時，這些數(shù)據(jù)都來源于方法區(qū)域，同時方法區(qū)域也是全局共享的，在一定的條件下它也會被GC，當方法區(qū)域需要使用的內(nèi)存超過其允許的大小時，會拋出OutOfMemory的錯誤信息。

（5）運行時常量池（Runtime Constant Pool），存放的為類中的固定的常量信息、方法和Field的引用信息等，其空間從方法區(qū)域中分配。

（6）本地方法堆棧（Native Method Stacks），JVM采用本地方法堆棧來支持native方法的執(zhí)行，此區(qū)域用于存儲每個native方法調(diào)用的狀態(tài)。

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