(转)全面认识JVM结构组成

源地址： http://developer.51cto.com/art/201009/227590.htm

 

 

你对JVM结构是否了解，这里和大家分享一下，首先看一下类文件格式，JVM使用一种硬件、操作系统无关的二进制格式来保存编译后的代码。

JVM结构

类文件格式

JVM使用一种硬件、操作系统无关的二进制格式来保存编译后的代码。

JVM结构之数据类型

和Java语言一样，JVM操作两种数据类型：基本类型和引用类型。
类型检验应该在编译期完成，JVM不需要负责类型检验。
JVM根据指令来分辨操作数的类型：

iadd->int
ladd->long
fadd->float
dadd->double

JVM显式的支持“对象”的概念。一个对象可以使一个动态分配的对象实例或一个数组。一个引用拥有引用类型。引用类型可以理解为指向对象或数组的指针。可以同时有多个引用指向一个对象实例或数组。对象实例和数组总是通过引用被操作，传递和测试（Testedviavaluesoftypereference）。

returnAddress类型

JVM中的returnAddress类型是jsr,ret和jsr_w指令。returnAddress类型是指向JVM操作码的指针。returnAddress类型不是简单意义上的数值，不属于任何一种基本类型。Java程序无法动态地修改returnAddress。

boolean类型

JVM只boolean类型提供有限的支持。没有单独的JVM指令单独操作boolean值，Java源代码中对boolean类型变量的操作被编译为int类型的指令。JVM不直接的支持boolean类型的数组，而是使用操作byte数组的指令来操作boolean数组。比如baload,bastore。Java编译器将Java语言的true和false映射为JVM中的int类型的1和0。

JVM结构之引用类型

引用类型包括三中：classtypes,arraytypes,interfacetypes。他们的值指向动态创建的类对象，数组或实现接口的类对象。一个引用可以是空的（null）。空引用不指向任何对象。空引用不属于任何类型，但是可以被转换成任何类型。JVMSpec不强制要求null在字节码中为某个值，如“0”。

运行时数据区域（RuntimeDataAreas）

JVM定义了一组运行时数据区域。这些区域再JVM运行程序时使用。一些区域在JVM启动的时候就被创建，在JVM关闭时销毁。还有些区域是每个线程所有的。线程启动时创建，线程结束时销毁。

JVM结构之pc寄存器

JVM支持多线程。每个线程都有自己的pc（programcounter）寄存器。任意时刻JVM线程执行某个方法的代码。如果方法不是native的，那么pc指向当前执行的JVM指令。如果是native的，那么pc必须足够大来保存returnAddress或一个当前pingai平台下的本地指针。

JVM栈

每个线程都拥有一个私有的JVMstack，这个堆栈与线程一同创建。JVM栈和C语言的栈相似。由于JVM的Frame可以放在堆上，所以JVMstack可以是不连续的。JVM实现者应该让程序员可以控制初始栈的大小，并控制栈的最大最小值。JVMstack可以动态增加。

Heap

JVM有一个堆，所有JVM中的线程共享这个堆。所有的类对象实例和数组都分配在堆上。
JVM堆在JVM启动的时候被创建。JVM提供一个垃圾收集者来管理堆。堆上的对象不需要程序员显式地销毁。堆可以是固定大小，也可以根据需要增加大小。堆可以是不连续的。

JVM结构之方法区域（MethodArea）

JVM有一个方法区域，所有JVM中的线程共享这个区域。这个区域与C语言程序中的“text”段类似。在其中保存了每个类属的数据，比如Runtimeconstantpool，field和methoddata，还有方法的字节码和构造函数，其中还包括类的“specialmethods”，还有实例和接口初始化代码。

Runtimeconstantpool

一个Runtimeconstantpool是代表了一个class文件中类或接口的常量表。其中包含若干常量，从编译期就固定的数值常量到编译期必须决定的方法和field的引用。Runtimeconstantpool类似与C语言中的符号表。
每个Runtimeconstantpool从JVM的MethodArea中分配。Runtimeconstantpool在类或接口被JVM创建的时候创建。

NativeMethodStack

JVM可以使用传统的堆栈来支持本地方法。

JVM结构之Frame

Frame用来存储数据，部分返回结果，也用于动态连接，返回方法的结果，以及分发异常
每次调用方法，JVM都会再当前线程的Stack上创建一个Frame，当方法结束是销毁这个Frame。
每个Frame都有自己的局部变量数组，自己的操作数栈（operandstack）。

局部变量数组和操作数栈的大小在编译期就决定了。局部变量和操作数有当前Frame所属的方法提供。
Frame的大小由虚拟机的实现者决定。Frame所占用的内存可以在方法调用的时分配。

每个线程运行的某个时刻只能有一个Frame是活跃的，称为“当前Frame”。这个线程称为“当前线程”。包含这个方法的类称为“当前类”。当一个方法调用了另一个方法，那么它的Frame不在活跃，被调用的方法的Frame成为“当前Frame”。注意：两个线程创建的Frame是完全独立的。

JVM结构之局部变量

每个Frame都有一个局部变量数组，数组的长度取决于方法的局部变量个数。
单个局部变量可以存储：boolean,byte,char,short,int,float,reference和returenAddress
一对局部变量可以存储：long或double

局部变量用索引值来取址。第一个局部变量的索引是0。

JVM使用局部变量来传递方法参数。对于类方法，方法参数从局部变量“0”（零）开始。
对于实例方法，局部变量“0”被用来保存当前实例的引用值（this）。方法参数从局部变量“1”开始。

JVM结构之操作数栈（stack）

每个Frame都包含一个LIFO的栈，称为OperandStack。该栈的最大深度在编译期决定，有创建Frame的方法代码决定。

JVM需要提供将局部变量或常量压入操作数栈的指令。其他指令可以操作栈上的数据，并将结果也压入栈。操作数栈也用于传递参数和接受返回值。

比如，iadd指令将两个int值加起来。这就需要被加的两个数在栈的最顶端。他们是由前面的指令压入栈的。两个数从栈中弹出。相加后的结果被压入栈。

动态连接（DynamicLinking）

每个Frame包含一个指向当前Runtimeconstantpool的引用，用来提供方法的动态链接。
方法代码是通过符号来引用变量和调用方法的。JVM动态的将符号翻译为具体的方法引用或变量的索引。
这就是Java实现晚绑定的机制。这种晚绑定使得代码变得更安全。

JVM结构之方法正常结束与异常结束

如果方法没有引起或抛出任何异常，那么方法会正常结束。需要指出的是，异常可以是由JVM直接抛出的，也可以是程序显式抛出的。

初始化方法

在JVM层次上，每个类的构造函数都有一个特殊的名字。这个名字由编译器提供。Java语言中不能直接使用这个名字。在JVM中，通过invokespecial指令来调用这个方法。

一个类或接口最多有一个类或接口初始化方法。这个方法是静态而且没有任何参数的。它有一个特殊的名字：。这个名字也有编译期提供，Java语言中不能直接用。类和接口的初始化方法有JVM隐式地调用。它们从不被某个JVM指令调用，而是作为类的初始化过程的一部分被调用。

异常

抛出异常会使当前方法异常结束。每个类的异常Handler被放在类文件的一个表中。
当异常发生的时候，JVM会从中找到合适的异常处理Handler来处理，如果当前方法没有合适的处理当前异常的Handler，则将当前方法的Frame弹出，扔掉Operandstack和局部变量。返回到当前方法的调用者中，再重复前面的过程，直到到达调用链条的顶端。如果最外层的方法也没有合适的Handler，就退出当前线程。

 

 

 

 

 

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http://www.open-open.com/lib/view/open1343121648865.html

 

java虚拟机在执行java程序的过程中会把它所管理的内存划分成很多个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。Java虚拟机规范中把java虚拟机所管理的内存划分为以下几个区域。

一、程序计数器（Program Counter Register）

         程序计数器是一块较小的内存空间，它的作用是当前所执行的字节码的行号指示器。它是线程私有的，即各个线程都有独立的程序计数器。

         如果线程正在 执行一个java方法，这个计数器记录的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，则这个计数器是空（undefined）。

         此内存区域是唯一的一个不会抛出OutOfMemoryError异常的区域。

二、java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

         我们可能经常听到说java内存分为堆内存和栈内存，其实这个说法中的栈内存是指java虚拟机栈中的局部变量表部分。

         Java虚拟机栈描述的是java方法执行的内存模型：每个方法被执行时都会同时创建一个栈帧（Stack Frame），用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。Java虚拟机栈也是线程私有的，生命周期也线程相同。

         局部变量表存放的类型包括以下三种：

1、  编译期可知的基本数据类型：boolean、byte、char、short、int、float、long、double共8 种类型；

2、  对象引用：即reference类型，它存放的是一个指向堆中对象起始地址的引用指针，或一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置，根据虚拟机的不同实现而不同；

3、  returnAddress类型：存放指向一条字节码指令的地址；

局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量表空间是完全确定了的，方法在运行期间不会改变局部变量表的大小。

Java虚拟机栈会抛出两种异常：

1、             OutOfMemoryError异常：如果虚拟本可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存时抛出；

2、             StackOverflowError异常：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度时抛出；

三、本地方法栈（Native Method Stacks）

         本地方法栈与虚拟机栈的作用相似，它是为虚拟机在执行native方法时服务，而虚拟机栈是为虚拟机执行java方法服务。此内存区域也会抛出OutOfMemoryError异常和StackOverflowError异常。

四、java堆（Java Heap）

         java堆是用于存放对象实例和数组。它是java虚拟机管理的内存中最大的一块，被所有线程共享，在虚拟机启动时创建，也是垃圾收集器管理的要区域，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

         如果垃圾收集器采用的是分代收集它还，它还可以细分为新生代和老年代，再细致一点的有Enden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

         java堆可以处理物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续即可。在实现时既可以实现丰固定大小的，也可以是可扩展的。如果是可扩展的，可以通过 -Xms和-Xmx来指定最小和最大值，如果-Xms和-Xmx的值相等，则相当于不可扩展了。如果堆中没有内存可完成实例分配，此内存区域会抛出 OutOfMemoryError异常。

         五、方法区

         方法区用于存放已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。它是堆的一个逻辑部分，是各个线程共享的内存区域。如果是sun 的HotSpot虚拟机，它也叫做永久代（Permanent Generation），如果方法区无法满足内存分配需求时，会抛出OutOfMemoryError异常。

         方法区中的运行时常量池（RuntimeConstant Pool），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，它在类加载后存放到运行时常量池中。

         运行时常量池具有动态性，即常量不一定只在编译期产生，在运行期间也可能将新的常量存入池中，比如String类的intern()方法。

         六、直接内存（DirectMemory）

         它不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是java虚拟机规范中定义的内存区域。比如在JDK1.4中新加入的NIO类，有一种基于通道与缓冲区的I/O 方式，它可以使用native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。所以直接内存不会受到java堆大小的限制，但会受到本机总内存的大小及处理器寻址空间的限制。它也会抛出OutOfMemoryError异常。