【原创】JVM系列02 | Java虚拟机结构

2021-03-15 04:32

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【原创】JVM系列02 | Java虚拟机结构
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Java虚拟机

学习 Java 虚拟机,先要掌握其基本结构,了解各部分有什么作用,各部分之间是如何协调工作的。本文将介绍如下内容:
Java 虚拟机结构
举例说明 Java 堆、Java 栈、方法区关系

1. 基本结构


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图片来自:https://blog.csdn.net/aijiudu/article/details/72991993
Java 虚拟机结构包括:类加载子系统、运行时数据区、垃圾回收系统、执行引擎。
类加载子系统: 负责从文件系统或者网络中加载 Class 信息。
垃圾回收系统: 对方法区、Java 堆和直接内存进行回收,其中 Java 堆是垃圾收集的工作重点。
对于不再使用垃圾对象,垃圾回收系统会在后台默默的查找、标记并释放垃圾对象内存,完成对方法区、Java 堆和直接内存的自动化管理。
执行引擎: 执行引擎是负责执行虚拟机的字节码。
运行时数据区包括:方法区、Java 堆、Java 栈、直接内存、本地方法栈、PC(Program Counter)寄存器。
方法区: 存放两部分内容。
① 类加载子系统加载的类信息;
②Java 程序运行时的常量池信息,包括字符串字面量和数字常量。
方法区是线程共享的。
JDK6、JDK7 永久代实现方法区,JDK8 之后永久带被彻底移除,被元数据区取代。元数据区数堆外的直接内存
Java 堆: Java 程序最主要的内存工作区域,存放 Java 对象实例。Java 堆空间是所有线程共享的。
Java 堆分为新生代和老年代。新生代分为 eden 区、s0 区、s1 区,s0 区和 s1 区是两块大小相等、可以互换角色的内存空间。

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几乎所有的对象都存放在堆中。Java 堆是自动化管理的,垃圾对象会被自动清理,不需要程序员手动释放内存。
新生代存放新生的和年龄不大的对象。对象首先分配在 eden 区,如果在一次新生代回收后还存活就会进入 s0 或 s1,对象年龄增加 1。当对象达到一定年龄后,就会进入老年代,老年代存放老年对象。(堆内存作为最主要的内存空间,会在之后的垃圾回收中详细讲解)
直接内存: Java 堆外的、直接向系统申请的内存空间。
可以这样理解,直接内存就是 JVM 以外的机器内存,比如,你有 4G 的内存,JVM 占用了 1G,则其余的 3G 就是直接内存。所以直接内存收到本机器内存的限制,也可能出现 OutOfMemoryError 的异常。
访问直接内存的速度会优于访问 Java 堆内存的速度,读写频繁的场景会考虑使用直接内存。NIO 使用的就是直接内存。
Java 栈: 线程被创建的时候 Java 栈被创建,Java 栈是线程私有的内存空间,同 Java 方法的调用密切相关。Java 栈中保存着栈帧信息,栈帧包括局部变量、操作数栈和帧数据。
本地方法栈: 本地方法栈和 Java 栈类似,本地方法栈用于本地方法的调用。Java 虚拟机允许 Java 直接调用本地方法,本地方法通常是使用 C 编写的,native 修饰的代码。
PC(Program Counter)寄存器: Java 虚拟机会为每个 Java 线程创建 PC 寄存器,所以 PC 寄存器也是每个线程的私有空间。Java 线程正在执行的方法称为当前方法,如果当前方法是 Java 方法,PC 寄存器就会执行当前正在被执行的指令;如果当前方法是本地方法,PC 寄存器的值就是 undefined。

2. 堆、栈、方法区关系


public class JVMTest {
    private int id;
    public JVMTest(int id) {
        this.id = id;
    }
    public void showID() {
        System.out.println("id=" + id);
    }

    public static void main(String[] args) {
        JVMTest object1 = new JVMTest(1);
        JVMTest object2 = new JVMTest(1);
        object1.showID();
        object2.showID();
    }
}
  • 创建的两个 JVMTest 实例分配在堆中。
  • main 方法 object1 和 object2 两个局部变量存放在 Java 栈中,并指向堆中的两个实例。
  • 描述 JVMTest 类的类信息存放在方法区。

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3. 总结


总结不多说了,直接给出 Java 虚拟机结构的思维导图:
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参考资料

《深入理解 Java 虚拟机(第 2 版) : JVM 高级特性与最佳实践》
《实战 Java 虚拟机 : JVM 故障诊断与性能优化》

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