JVM虛拟機結構

JVM的主要結構如下圖所示，圖檔引用自舒の随想日記。

方法區和堆由所有線程共享，其他區域都是線程私有的

程式計數器（Program Counter Register）

類似于PC寄存器，是一塊較小的記憶體區域，通過程式計數器中的值尋找要執行的指令的位元組碼，由于多線程間切換時要恢複每一個線程的目前執行位置，是以每個線程都有自己的程式電腦。這一個區域不會有OutOfMemeryError。當執行Java方法時，這裡存儲的執行的指令的位址，如果執行的是本地方法，這裡的值是Undefined。

虛拟機棧（Java Stack）

虛拟機棧也是線程私有的，每建立一個線程，虛拟機就會為這個線程建立一個虛拟機棧，虛拟機棧表示Java方法執行的記憶體模型，每調用一個方法，就會生成一個棧幀（Stack Frame）用于存儲方法的本地變量表、操作棧、方法出口等資訊，當這個方法執行完後，就會彈出相應的棧幀。

如果請求的棧的深度過大，虛拟機可能會抛出StackOverflowError異常，如果虛拟機的實作中允許虛拟機棧動态擴充，當記憶體不足以擴充棧的時候，會抛出OutOfMemoryError異常。

棧幀（Stack Frame）

棧幀分為三部分：局部變量區（Local Variables）、操作數棧（Operand Stack）和幀資料區（Frame Data）。

局部變量區（Loca Variables）

局部變量區被組織一個一個從0開始的字數組，byte、short、char在存儲前被轉換為int，boolean也被轉換為int，0表示false，非0表示true，long和double占據兩個字長。

操作數棧（Operand Stack）

操作數棧也被組織為一個字數組，但不同于局部變量區，它不是通過數組下标通路的，而是能過棧的Push和Pop操作，前一個操作Push進的資料可以被下一個操作Pop出來使用。

幀資料區（Frame Data）

這部分的作用主要有三部分：

• 常量池中資料的解析
• 方法執行完後處理方法傳回，恢複調用方現場
• 方法執行過程中抛出異常時的異常處理，存儲有一個異常表，當出現異常時虛拟機查找相應的異常表看是否有對應的Catch語句，如果沒有就抛出異常終止這個方法調用

本地方法棧（Native Method Stack）

與虛拟機棧類似，隻是是執行本地方法時使用的。

方法區（Method Area）

用于存儲已被虛拟機加載的類型資訊、常量、靜态變量、即時編譯後的代碼等資訊。

方法區是線程間共享的，當兩個線程同時需要加載一個類型時，隻有一個類會請求ClassLoader加載，另一個線程會等待。

對于每一個加載的類型，會在方法區中儲存以下資訊：

• 類及其父類的全限定名（java.lang.Object沒有父類）
• 類的類型（Class or Interface）
• 通路修飾符（public, abstract, final）
• 實作的接口的全限定名的清單
• 常量池
• 字段資訊
• 方法資訊
• 除常量外的靜态變量
• ClassLoader引用
• Class引用

對于每一個字段，會在方法區中儲存以下資訊（字段聲明順序也會儲存）：

• 字段名
• 字段的類型
• 字段的修飾符(public, private , protected, static, final, volatile, transient)

對于每一個方法，會在方法區中儲存以下資訊（方法聲明順序也會儲存）：

• 方法名
• 方法傳回類型（或void）
• 參數資訊
• 方法修飾符(public, private, protected , static, final, synchronized, native, abstract)

如果方法不是抽象方法并不是本地方法（Native Method），還會儲存以下資訊：

• 方法的位元組碼
• 本地變量表及操作數棧的大小
• 異常表

虛拟機需要存儲一些資料，用來快速地通路一個類對象中的方法，一般實作為一個方法表。

方法區中還有一部分是運作時常量池，主要用來存儲編譯時生成的字面量和符号引用，常量也可以在運作時産生，如String的intern方法。

方法區中也可能存在GC，但虛拟機規範對此不做要求，主要是回收一些常量和解除安裝一些不用的類型資訊，不過要解除安裝一個類的條件很難達到，而且些處GC其實也回收不了多少記憶體。

堆（Heap）

虛拟機中用于存放對象與數組執行個體的地方，垃圾回收的主要區域就是這裡（還可能有方法區）。

如果垃圾收集算法采用按代收集（目前大都是這樣），這部分還可以細分為新生代和老年代。

新生代又可能分為Eden區，From Survivor區和To Survivor區，主要是為了垃圾回收。所有的線程共享Java堆，在這裡還可以劃分線程私有的緩沖區（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。

Java堆隻要求邏輯上是連續的，在實體空間上可以不連續。

直接記憶體

JDK1.4中引用了NIO，并引用了Channel與Buffer，可以使用Native函數庫直接配置設定堆外記憶體，并通過一個存儲在Java堆裡面的DirectByteBuffer對象作為這塊記憶體的引用進行操作。

對象通路

當建立一個對象時，會在堆中為這個對象配置設定記憶體，并在棧中有一個對這個對象引用，除此之外，在Java堆中還要能通過這個對象找到它的類型資訊（對象類型，父類，實作的接口，包含的字段與方法等）。

Reference在Java虛拟機中定義為指向對象的引用，但沒有定義這個Reference應該有怎麼實作。

一種實作是Reference直接存儲對象在堆内的位址，對象的類型資訊可以在對象在堆中的記憶體布局中存儲，如存儲在對象記憶體的開頭等。

另一種實作是Reference指向一個句柄表中的一個位置，句柄中儲存了對象的實際位置及它對應的類型資訊。

使用句柄的好處是當在記憶體中移動對象的位置時，隻需要更新句柄表中的内容，不需要改變引用值，但會多一次記憶體通路開銷，直接引用的優缺點與此相反。

參考資料：

1. 深入Java虛拟機
2. 深入了解Java虛拟機-JVM進階特性與最佳實踐
3. 淺析Java虛拟機結構與機制

作者：AngelDevil

出處：www.cnblogs.com/angeldevil

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