JVM-体系结构

大家都知道，java号称一次编译，处处运行。之所以能够这么强大，jvm功不可没。直接上图：

笔者看过这张图很多次，一直没能理解。一直到最近，觉得能够明白到写博客了。一个java文件通过编译可以得到class文件，class文件就是java虚拟机能够执行的二进制文件。而程序在运行的时候，需要在内存中有数据空间。在jvm中，这个数据空间叫做运行时数据区。运行时数据区，一共有5类空间，分别是：方法区，堆区，java栈，PC寄存器（我更喜欢叫程序计数器，jvm中没有寄存器）以及本地方法栈。
当jvm运行的时候，会先把class文件以二进制数据流的形式加载到方法区，这个过程通过类加载器系统完成（之所以叫做类加载器系统，是因为类加载器可以不只有一个，但常用的是启动类加载器）。一个个说吧！
方法区存储的是类的元数据，包括类的名称，超类等等元数据信息。这些信息中有3个比较重要的：
1 类的常量池
2 一个到当前类的Class类对象的引用
3 一个到当前类的ClassLoader类对象的引用

对于第二个，我想用过java反射机制的都应该明白了他的设计。在java反射机制中，通过Class.forName()等几种方法可以得到特定类的对象。对于第三个，用于记录装载当前类的类装载器对象。对于第一个，这里想重点说下：jvm为每一个被装载的类都维护一个常量池，这个常量池包含了直接常量和对其他类型，字段和方法的符号引用。其中，直接常量很好理解，比如String str="hello";那么str就是一个直接常量。什么是符号引用呢？比如MyClass mc=new MyClass();当类装载器装载这条语句所在类的时候，就会在常量池中记录MyClass xxx.xxx.MyClass，这个就叫做类型的符号引用，当然还有字段的符号引用，方法的符号引用等等。因为常量池中包含了当前类所用到的所有的符号引用（符号引用之后会变成直接引用），所以他在java程序的动态连接中有很重要的位置。
有些时候，为了提高jvm的性能，可能方法区会包含除了上述数据以外的其他数据，比如方法表：jvm对每个装载的非抽象类，都生成一个方法表，把他作为类信息的一部分存储在方法区。这样，以后再查找类方法时就不需要读取类信息，而是根据方法表直接访问。
当类装载器将class文件装载到了方法区，执行引擎就开启从指定类的public static void main()方法执行了，执行过程中会产生对象实例，这些对象实例存储在堆区。我们知道，在类的对象中，对象的数据是属于对象的，但对象的方法是调用类的方法，因此堆区中的类对象需要“记得”自己在方法区的类方法。因此，对于堆区的设计，可以是下面几种方案：







上面的几种方案就不具体说了，很容易理解。对于堆区，还有个很重要的事情，就是垃圾回收，我们知道垃圾回收是java的一大特色，垃圾回收主要的作用空间就是堆区。关于垃圾回收，以后再说。关于堆区和方法区，下面举个例子：
对于下面的代码,我们来看他的执行过程。

public class A{
    private int speed;
    public void set(){
        speed=4;
    }
} 
public class B{
    public static void main(String [] args){
        A a=new A();
        a.set();
    }
}

当运行java B的时候，执行过程如下：首先类装载器加载类B到方法区（其中在常量池中有A的符号引用），接着执行第一行命令，看到使用new关键字，执行引擎需要在堆区新建一个A的对象空间。执行引擎查看B的常量池，发现对A存储的只是一个符号引用，不是直接引用。因此可能需要装载类A到方法区，装载完毕后，返回一个方法区类A的指针引用给类B的常量池（以后类B的常量池可以直接通过引用找到类A）。之后，由于类B知道了类A的详细信息，执行引擎就可以在堆区分配一个类A的实例对象，并将改对象的引用压如到当前线程的java栈中。第一条命令执行结束。
接着说其他三个区域。java栈，程序计数器，本地方法栈（不一定每个线程都有）对应一个线程。就是说，jvm每有一个线程被创建，就会为这个线程对应一个java栈和程序计数器（本地方法栈看是否需要）。由于java栈是线程独有，因此不存在同步问题。与此相对，方法区和堆区都是所有线程共享的区域（从代码角度很容易理解），因此存在线程安全问题。下图能够说明这一点：

java栈是线程执行过程中存放局部变量，操作数等信息的空间，他的基本单位是帧。java栈对应的线程每执行一个方法，就会向栈中压如一个栈帧。这个栈帧包括局部变量区，操作数栈和帧数据区。
PC寄存器实际上是程序计数器，用来记录当前线程要执行的下一条指令是什么。
当一个线程在执行过程中需要调用本地方法时，就会创建一个本地方法栈功本地方法使用。
至此，大概介绍了下jvm的基本结构以及他的运行时数据区的基本功能。