Java虚拟机学习笔记——基础概念

 
      对于一个小小菜鸟来说，学习编程知识不仅要做到“知其然”，更要“知其所以然”，最近小弟在看Java虚拟机的相关知识。      为了做到一处编译，到处运行的特性，Java虚拟机的作用显得就尤为重要，Java语言在不同的平台上运行时不需要进行重新编译，Java虚拟机在执行字节码的时候，把字节码转换成具体平台上的机器指令。     在日常工作之中，本人感觉处理问题要是程序有问题，解决bug其实对于大多数朋友来说都是轻而易举，但是如果程序运行过程中，出现了一堆虚拟机的错误，就是比较令人头疼的了。所以说了解Java虚拟机的特性和原理，对我们个人成长和工作来说都是十分重要的。      既然是说的Java必然涉及Jdk 、Jre 、Jvm 三者间的关系，作为概念上的区分本人还是要在这简单说明一下的。

　　JDK（Java Development Kit）是针对Java开发员的产品，是整个Java的核心，包括了Java运行环境JRE、Java工具和Java基础类库。Java Runtime Environment（JRE）是运行JAVA程序所必须的环境的集合，包含JVM标准实现及Java核心类库。JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，是整个java实现跨平台的最核心的部分，能够运行以Java语言写作的软件程序。

一、基础概念
 下面来说一下虚拟机中的基本概念，

1. 运行时数据区域：Java虚拟机在执行Java程序时会把它管理的内存胡划分成为若干个不同数据区域，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，主要包括一起几个区域

   

    

2. 程序计数器，是一块很小的内存空间，作用可以看成是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作就是通过改变这个计数器的值来徐阿奴去下一条需要执行的字节码指令，分支，循环，跳转，异常处理，线程恢复的等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。由于虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方法来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器只会执行一个线程中的指令，所以程序计数器的“线程私有的”，也就是图中所有的线程隔离数据区。

3. Java虚拟机栈，所谓的虚拟机栈主要的指的是就是局部变量表，局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference 类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。在Java虚拟机中定义了对Java虚拟机栈定义了两种异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverFlowError异常；如果虚拟机栈可以扩展，当扩展时无法申请到足够的内存时，会抛出OutOfMemoryError异常。

4. 本地方法栈

   本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native 方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot 虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError 和OutOfMemoryError异常。这里本地方法（Native Method）就是一个Java调用非Java代码的接口。一个Native Method是这样一个Java的方法：该方法的实现由非Java语言实现，比如C或C++。

5. Java 堆

   对于大多数应用来说，Java 堆（Java Heap）是Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java 堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这一点在Java 虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配①，但是随着JIT 编译器 的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换②优化技术将会导致一些微妙 的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。 Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC 堆”（Garbage Collected Heap，幸好国内没翻译成“垃圾堆”）。如果从内存回收的角度看，由于现在 收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java 堆中还可以细分为：新生代和老年代； 再细致一点的有Eden 空间、From Survivor 空间、To Survivor 空间等。如果从内存分配 的角度看，线程共享的Java 堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。不过，无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域， 存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配 内存。在本章中，我们仅仅针对内存区域的作用进行讨论，Java 堆中的上述各个区域的 分配和回收等细节将会是下一章的主题。 根据Java 虚拟机规范的规定，Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要 逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小 的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx 和-Xms 控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

    

6. 方法区

   方法区（Method Area）与Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存 储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。虽 然Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non- Heap（非堆），目的应该是与Java 堆区分开来。 对于习惯在HotSpot 虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区 称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot 虚 拟机的设计团队选择把GC 分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而 已。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9 等）来说是不存在永久代的概念的。即 使是HotSpot 虚拟机本身，根据官方发布的路线图信息，现在也有放弃永久代并“搬家” 至Native Memory 来实现方法区的规划了。 Java 虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了和Java 堆一样不需要连续的内 存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾 收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一 样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸 载，一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件 相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是有必要的。在Sun 公司的BUG 列表中，曾出 现过的若干个严重的BUG 就是由于低版本的HotSpot 虚拟机对此区域未完全回收而导 致内存泄漏。 根据Java 虚拟机规范的规定， 当方法区无法满足内存分配需求时， 将抛出 OutOfMemoryError 异常。

    

7. 运行时常量池

   运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class 文件中除了有 类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放 到方法区的运行时常量池中。 Java 虚拟机对Class 文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格的规 定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求，这样才会被虚拟机认可、 装载和执行。但对于运行时常量池，Java 虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的 提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。不过，一般来说，除 了保存Class 文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常 量池中①。 运行时常量池相对于Class 文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java 语 言并不要求常量一定只能在编译期产生，也就是并非预置入Class 文件中常量池的内容 才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发 人员利用得比较多的便是String 类的intern() 方法。 既然运行时常量池是方法区的一部分，自然会受到方法区内存的限制，当常量池无 法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError 异常

    

8. 直接内存

   直接内存（Direct Memory）并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，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致 OutOfMemoryError 异常出现，所以我们放到这里一起讲解。 在JDK 1.4 中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel） 与缓冲区（Buffer）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 堆里面的DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行 操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java 堆和Native 堆中来 回复制数据。 显然，本机直接内存的分配不会受到Java 堆大小的限制，但是，既然是内存，则 肯定还是会受到本机总内存（包括RAM 及SWAP 区或者分页文件）的大小及处理器 寻址空间的限制。服务器管理员配置虚拟机参数时，一般会根据实际内存设置-Xmx 等参数信息，但经常会忽略掉直接内存，使得各个内存区域的总和大于物理内存限制 （包括物理上的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError 异常。

二、对象访问

    Java虚拟机对象访问主要是两种方式： 使用句柄和直接指针

1. 使用句柄，Java堆会划分出一块内存来作为句柄池，reference类型存储的就是对象句柄地址，句柄中包含了对象实例数据和类型数据的各自具体地址信息如下图所示
   
2. 使用直接指针访问方式，就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中直接存储的就是对象地址，如下图所示
   
3.  这两种对象的访问方式各有优势，使用句柄访问方式的最大好处就是 reference 中存   储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只 会改变句柄中的实例数据指针，而reference 本身不需要被修改。 使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开 销，由于对象的访问在Java 中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的 执行成本。