1 虛擬機(jī)概述

1.1 虛擬機(jī)產(chǎn)生原由

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機(jī)）的縮寫(xiě)，JVM是一種用于計(jì)算設(shè)備的規(guī)范壮不，是一臺(tái)虛擬機(jī)，即虛構(gòu)的計(jì)算機(jī)。

JVM屏蔽了與具體操作系統(tǒng)平臺(tái)相關(guān)的信息钮热，使Java程序只需生成在Java虛擬機(jī)上運(yùn)行的目標(biāo)代碼（字節(jié)碼）校辩，就可以在多種平臺(tái)上不加修改地運(yùn)行窘问。JVM在執(zhí)行字節(jié)碼時(shí)，實(shí)際上最終還是把字節(jié)碼解釋成具體平臺(tái)上的機(jī)器指令執(zhí)行宜咒。

1.2 JRE/JDK/JVM概念

• JRE
  JRE（Java Runtime Environment惠赫，Java運(yùn)行環(huán)境），也就是Java平臺(tái)故黑。所有的Java程序都要在JRE下才能運(yùn)行儿咱。

• JDK
  JDK（Java Development Kit，Java開(kāi)發(fā)工具包）场晶，是程序開(kāi)發(fā)者用來(lái)編譯混埠、調(diào)試java程序的開(kāi)發(fā)工具包。JDK的工具也是java程序诗轻，需要JRE環(huán)境的支持才能運(yùn)行钳宪。

• JVM
  JVM（Java Virtual Machine，Java虛擬機(jī)），是JRE的一部分吏颖。它是一個(gè)虛構(gòu)出來(lái)的計(jì)算機(jī)搔体，在實(shí)際的計(jì)算機(jī)上模擬各種計(jì)算機(jī)的功能，其設(shè)計(jì)時(shí)有運(yùn)行時(shí)字節(jié)碼指令集侦高，運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域嫉柴，執(zhí)行引擎，以及本地庫(kù)接口奉呛。

1.3 整體框架結(jié)構(gòu)

JVM框架結(jié)構(gòu).png

• 類裝載器（Class Loader）：用來(lái)裝載.class文件计螺；
• 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域：方法區(qū)，堆瞧壮，虛擬機(jī)棧登馒，程序計(jì)數(shù)器，本地方法棧咆槽；
• 執(zhí)行引擎：執(zhí)行字節(jié)碼或本地方法陈轿；

2 Java代碼編譯

Java源代碼是不能被機(jī)器識(shí)別的，需要先經(jīng)過(guò)編譯器編譯成JVM可以執(zhí)行的.class字節(jié)碼文件秦忿，再由解釋器解釋運(yùn)行麦射。即：Java源文件（.java） -- Java編譯器 --> Java字節(jié)碼文件 （.class） -- Java解釋器 --> 執(zhí)行。流程圖如下：

Java編譯過(guò)程.png

2.1 詞法分析器

將源碼轉(zhuǎn)化為T(mén)oken流灯谣。讀取源代碼潜秋，從源文件的第一個(gè)字符開(kāi)始，按照java語(yǔ)法規(guī)范依次找出package胎许，import峻呛，類定義，屬性辜窑，方法定義等钩述，最后構(gòu)建出一個(gè)抽象語(yǔ)法樹(shù)乒融。

package compile;

/**
 * 詞法解析器
 */
 public class Cifa{
     int a;
     int c = a + 1;
 }

轉(zhuǎn)化為T(mén)oken流：

Token流.png

2.2 語(yǔ)法分析器

語(yǔ)法解析器要將Token流組建成更加結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)法樹(shù)威蕉，也就是將這些Token流中的單詞裝成一句話，完整的語(yǔ)句揩尸。

package compile;

/**
 * 語(yǔ)法
 */
public class Yufa {
    int a;
    private int c = a + 1;
    
    //getter
    public int getC() {
        return c;
    }
    //setter
    public void setC(int c) {
        this.c = c;
    }
}

語(yǔ)法樹(shù).png

2.3 語(yǔ)義分析器

將語(yǔ)法樹(shù)轉(zhuǎn)化為注解語(yǔ)法樹(shù)所禀，即在這顆語(yǔ)法樹(shù)上做一些處理方面。
步驟

• 給類添加默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)(由com.sun.tools.javac.comp.Enter類完成)
• 處理注解(由com.sun.tools.javac.processing.JavacProcessingEnvironment類完成)
• 檢查語(yǔ)義的合法性并進(jìn)行邏輯判斷(由com.sun.tools.javac.comp.Attr完成)
  ① 變量的類型是否匹配；
  ② 變量在使用前是否初始化北秽；
  ③ 能夠推導(dǎo)出泛型方法的參數(shù)類型；
  ④ 字符串常量合并最筒；
• 數(shù)據(jù)流分析(由com.sun.tools.javac.comp.Flow類完成)
  ① 檢驗(yàn)變量是否被正確賦值（eg.有返回值的方法必須確定有返回值）贺氓；
  ② 保證final變量不會(huì)被重復(fù)修飾；
  ③ 確定方法的返回值類型；
  ④ 所有的檢查型異常是否拋出或捕獲辙培；
  ⑤ 所有的語(yǔ)句都要被執(zhí)行到（return后邊的語(yǔ)句就不會(huì)被執(zhí)行到蔑水，除了finally塊兒）；
• 對(duì)語(yǔ)法樹(shù)進(jìn)行語(yǔ)義分析(由com.sun.tools.javac.comp.Flow執(zhí)行)
  ① 去掉無(wú)用的代碼扬蕊，如只有永假的if代碼塊搀别；
  ② 變量的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，如將int自動(dòng)包裝為Integer類型尾抑；
  ③ 去除語(yǔ)法糖歇父，將foreach的形式轉(zhuǎn)化為更簡(jiǎn)單的for循環(huán)；

2.4 代碼生成器

生成語(yǔ)法樹(shù)后再愈，接下來(lái)Javac會(huì)調(diào)用com.sun.tools.javac.jvm.Gen類遍歷語(yǔ)法樹(shù)榜苫，生成Java字節(jié)碼。
步驟

• 將java方法中代碼塊轉(zhuǎn)化為符合JVM語(yǔ)法的命令形式翎冲；
• 按照J(rèn)VM的文件組織格式將字節(jié)碼輸出到以class為拓展名的文件中垂睬；

3 字節(jié)碼

3.1 字節(jié)碼指令集

機(jī)器指令的格式.png

3.2 .class文件結(jié)構(gòu)

Java編譯器編譯成后綴為.class的文件，該類型的文件是由字節(jié)組成的文件抗悍，又叫字節(jié)碼文件驹饺。那么，class字節(jié)碼文件里面到底是有什么呢缴渊？它又是怎樣組織的呢赏壹？讓我們先來(lái)大概了解一下他的組成結(jié)構(gòu)吧。

class字節(jié)碼結(jié)構(gòu)示意圖.png

ClassFile {
u4              magic;
u2              minor_version;
u2              major_version;
u2              constant_pool_count;
cp_info         constant_pool[constant_pool_count-1]
u2              access_flages;
u2              this_class;
u2              super_class;
u2              interfaces_count;
u2              interfaces[interfaces_count];
u2              fields_count;
field_info      fields[fields_count];
u2              methods_count;
method_info     methods[methods_count];
u2              attributes_count;
attribute_info  attributes[attributes_count];
}

4 類加載

4.1 類加載過(guò)程

類加載過(guò)程.png

4.1.1 加載（Loading）

• 何時(shí)預(yù)加載
  ① 預(yù)加載：在虛擬機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候加載疟暖，加載的是JAVA_HOME/lib/下的rt下的.class文件卡儒，是java程序運(yùn)行時(shí)經(jīng)常要用到的一些類，比如java.lang.?以及 java.util.?等俐巴。
  ② 運(yùn)行時(shí)加載：虛擬機(jī)在用到一個(gè).class文件時(shí)骨望，首先會(huì)去內(nèi)存中查找這個(gè).class文件有沒(méi)有被加載，沒(méi)有被加載會(huì)根據(jù)這個(gè)類的全限定名去加載欣舵。

• 加載階段主要做如下事項(xiàng)：
  ① 通過(guò)一個(gè)類的全限定名來(lái)獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流擎鸠。 不一定要從本地的Class文件獲取，可以從jar包缘圈，網(wǎng)絡(luò)劣光，甚至十六進(jìn)制編輯器弄出來(lái)的。開(kāi)發(fā)人員可以重寫(xiě)類加載器的loadClass()方法糟把。
  ② 將這個(gè)字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)绢涡；
  ③ 在內(nèi)存中生成一個(gè)唯一代表此類的java.lang.Class對(duì)象，作為方法區(qū)這個(gè)類的各種數(shù)據(jù)的訪問(wèn)入口（一般這個(gè)class對(duì)象會(huì)存儲(chǔ)在堆中遣疯，不過(guò)HotSpot虛擬機(jī)比較特殊雄可，這個(gè)Class對(duì)象是放在方法區(qū)中的）；

說(shuō)明：類的數(shù)據(jù)流來(lái)源于
1> 從zip包中獲取，如jar数苫，ear聪舒，war格式等；
2> 從網(wǎng)絡(luò)上獲取虐急，典型應(yīng)用就是Applet箱残；
3> 運(yùn)行時(shí)計(jì)算生成，典型應(yīng)用就是動(dòng)態(tài)代理技術(shù)止吁；
4> 由其他文件生成被辑，典型應(yīng)用就是JSP，即由JSP生成對(duì)應(yīng)的.class文件赏殃；

4.1.2 認(rèn)證（Verifying）

這一階段目的為了確保Class文件的字節(jié)流中包含的信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求敷待，并且不會(huì)危害虛擬機(jī)自身的安全。
① 文件格式驗(yàn)證仁热，其實(shí)就是驗(yàn)證字節(jié)流是否符合Class文件規(guī)范榜揖，符合規(guī)范通過(guò)驗(yàn)證才能保證輸入的字節(jié)流能正確的被解析并存儲(chǔ)到方法區(qū)。如魔數(shù)(0xCAFEBABE)開(kāi)頭抗蠢、主次版本號(hào)是否在當(dāng)前虛擬機(jī)處理范圍之內(nèi)等举哟。

② 元數(shù)據(jù)驗(yàn)證，此階段開(kāi)始就不是直接操作字節(jié)流迅矛，而是讀取方法區(qū)里的信息妨猩，元數(shù)據(jù)驗(yàn)證大概就是驗(yàn)證是否符合Java語(yǔ)言規(guī)范；

③ 字節(jié)碼驗(yàn)證秽褒，是整個(gè)驗(yàn)證過(guò)程中最復(fù)雜的一個(gè)階段壶硅，主要目的是通過(guò)數(shù)據(jù)流和控制流分析，確定程序語(yǔ)義是否合法销斟，符合邏輯庐椒。JDK6之后做了優(yōu)化，不再驗(yàn)證蚂踊，可以通過(guò)-XX:-UseSplitVerifier關(guān)閉優(yōu)化约谈。

④ 符號(hào)引用驗(yàn)證，此階段可以看做是類自己身意外的信息進(jìn)行匹配性校驗(yàn)犁钟。如：符號(hào)引用中通過(guò)字符串描述的全限定名是否能找到對(duì)應(yīng)的類棱诱；符號(hào)引用中的類、字段涝动、方法的訪問(wèn)性（private迈勋、protected、public醋粟、default）是否可被當(dāng)前類訪問(wèn)靡菇。

4.1.3 準(zhǔn)備（Preparing）

為類變量分配內(nèi)存并賦初值的階段担败。注意這里僅包括類變量（被static修飾的變量），而不是包括實(shí)例變量镰官。
以下是數(shù)據(jù)類型的零值：

// 舉個(gè)例子：
public static int value = 123;

在這個(gè)階段中，value的值是0而不是123吗货，給value賦值為123的動(dòng)作將在初始化階段進(jìn)行泳唠。

4.1.4 解析（Resolving）

解析是虛擬機(jī)將常量池中的符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為直接引用的過(guò)程。
符號(hào)引用：屬于編譯原理方面的概念宙搬，符號(hào)引用包括了下面三類常量：① 類和接口的全限定名笨腥； ② 字段的名稱和描述符； ③ 方法的名稱和描述符勇垛；
直接引用：直接指向目標(biāo)的指針脖母、相對(duì)偏移量或是一個(gè)能間接定位到目標(biāo)的句柄。直接引用是和虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存布局相關(guān)的闲孤，同一個(gè)符號(hào)引用在不同的虛擬機(jī)示例上翻譯出來(lái)的直接引用一般不會(huì)相同谆级。如果有了直接引用，那引用的目標(biāo)必定已經(jīng)存在在內(nèi)存中了讼积。

4.1.5 初始化（Initializing）

在前面的類加載過(guò)程中肥照，除了在加載階段，用戶應(yīng)用程序可以通過(guò)自己定義類加載參與之外勤众，其余動(dòng)作完全由虛擬機(jī)主導(dǎo)和控制舆绎。到了這個(gè)初始化階段，才真正開(kāi)始執(zhí)行類中定義的Java程序代碼（或者說(shuō)是字節(jié)碼）们颜。

初始化過(guò)程就是執(zhí)行類構(gòu)造器<clinit>()的過(guò)程吕朵，就是將類變量賦予用戶指定的值。
虛擬機(jī)規(guī)范定義了“有且僅有”5種會(huì)觸發(fā)初始化的場(chǎng)景：
① 遇到new窥突、getstatic努溃、putstatic或invokestatic這四條字節(jié)碼指令時(shí)，如果類沒(méi)有進(jìn)行初始化波岛，則要先觸發(fā)初始化茅坛；
② 使用java.lang.reflect包中的方法對(duì)類進(jìn)行反射調(diào)用的時(shí)候；
③ 初始化類時(shí)则拷，若發(fā)現(xiàn)其父類還沒(méi)有初始化贡蓖，則先觸發(fā)父類的初始化；
④ 虛擬機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候煌茬，虛擬機(jī)會(huì)先初始化用戶指定的包含main()方法的那個(gè)類斥铺；
⑤ 當(dāng)使用JDK 1.7的動(dòng)態(tài)語(yǔ)言支持時(shí)，如果一個(gè)java.lang.invoke.MethodHandle實(shí)例最后的解析結(jié)果REF_getStatic坛善、REF_putStatic晾蜘、REF_invokeStatic的方法句柄邻眷，并且這個(gè)方法句柄所對(duì)應(yīng)的類沒(méi)有進(jìn)行過(guò)初始化，則需要先觸發(fā)其初始化剔交。

4.2 類加載器

JVM的類加載通過(guò)ClassLoader及其子類來(lái)完成的肆饶，類的層次關(guān)系和加載順序如下圖所示：

類加載過(guò)程.png

4.2.1 類加載器種類

加載器種類.png

1. 引導(dǎo)類加載器（Bootstrap ClassLoader）
   JVM的根ClassLoader，由C++實(shí)現(xiàn)岖常，JVM啟動(dòng)時(shí)即初始化此ClassLoader驯镊，用以加載JVM運(yùn)行時(shí)所需要的系統(tǒng)類，這些系統(tǒng)類在{JRE_HOME}/lib目錄下竭鞍。由于類加載器是使用平臺(tái)相關(guān)的底層C/C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的板惑， 所以該加載器不能被Java代碼訪問(wèn)到。但是偎快，我們可以查詢某個(gè)類是否被引導(dǎo)類加載器加載過(guò)冯乘。

一般而言，{JRE_HOME}/lib下存放著JVM正常工作所需要的系統(tǒng)類晒夹，如下表所示：

引導(dǎo)類加載器(Bootstrap ClassLoader） 加載系統(tǒng)類后，JVM內(nèi)存會(huì)呈現(xiàn)如下格局：

引導(dǎo)類加載器過(guò)程.png

• 引導(dǎo)類加載器將類信息加載到方法區(qū)中响逢，以特定方式組織绒窑，對(duì)于某一個(gè)特定的類而言，在方法區(qū)中它應(yīng)該有 運(yùn)行時(shí)常量池舔亭、類型信息些膨、字段信息、方法信息钦铺、類加載器的引用订雾，對(duì)應(yīng)class實(shí)例的引用等信息。
• 類加載器的引用矛洞，由于這些類是由引導(dǎo)類加載器(Bootstrap Classloader)進(jìn)行加載的洼哎，而 引導(dǎo)類加載器是有C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，所以是無(wú)法訪問(wèn)的沼本，故而該引用為NULL噩峦。
• 對(duì)應(yīng)class實(shí)例的引用， 類加載器在加載類信息放到方法區(qū)中后抽兆，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的Class 類型的實(shí)例放到堆(Heap)中, 作為開(kāi)發(fā)人員訪問(wèn)方法區(qū)中類定義的入口和切入點(diǎn)识补。

2. 擴(kuò)展類加載器（Extension ClassLoader）
   該加載器是用于加載 java 的拓展類 ，拓展類一般會(huì)放在 {JRE_HOME}/lib/ext/ 目錄下辫红，或java.ext.dirs系統(tǒng)變量指定的路徑中的所有類庫(kù)凭涂，用來(lái)提供除了系統(tǒng)類之外的額外功能祝辣。

拓展類加載器是是整個(gè)JVM加載器的Java代碼可以訪問(wèn)到的類加載器的最頂端，即是超級(jí)父加載器切油，拓展類加載器是沒(méi)有父類加載器的蝙斜。

3. 應(yīng)用程序類加載器（Application ClassLoader）
   該類加載器是用于加載用戶代碼，是用戶代碼的入口澎胡。一般情況乍炉，如果我們沒(méi)有自定義類加載器默認(rèn)就是用這個(gè)加載器。

應(yīng)用類加載器將拓展類加載器當(dāng)成自己的父類加載器滤馍，當(dāng)其嘗試加載類的時(shí)候，首先嘗試讓其父加載器-拓展類加載器加載底循；如果拓展類加載器加載成功巢株，則直接返回加載結(jié)果Class<T> instance。加載失敗熙涤，則會(huì)詢問(wèn)是否引導(dǎo)類加載器已經(jīng)加載了該類阁苞；只有沒(méi)有加載的時(shí)候，應(yīng)用類加載器才會(huì)嘗試自己加載祠挫。

4. 自定義類加載器（User ClassLoader）
   應(yīng)用程序自定義的加載器那槽，如tomcat，jboss都會(huì)實(shí)現(xiàn)自己的ClassLoader等舔；

4.2.2 雙親委派

JVM在加載類時(shí)默認(rèn)采用的是雙親委派機(jī)制骚灸。通俗的講，如果一個(gè)類加載器收到了類加載的請(qǐng)求慌植，它首先不會(huì)自己去加載這個(gè)類甚牲，而是把這個(gè)請(qǐng)求委派給父類加載器去完成，每一層的類加載器都是如此蝶柿，這樣所有的加載請(qǐng)求都會(huì)被傳送到頂層的啟動(dòng)類加載器中丈钙。如果父類加載器可以完成類加載任務(wù)，就成功返回交汤；如果父類加載器無(wú)法完成此加載任務(wù)時(shí)雏赦，才自己去加載。
① 委托父類加載器幫忙加載芙扎；
② 父類加載器加載不了星岗，則查詢引導(dǎo)類加載器有沒(méi)有加載過(guò)該類；
③ 如果引導(dǎo)類加載器沒(méi)有加載過(guò)該類戒洼，則當(dāng)前的類加載器應(yīng)該自己加載該類伍茄；
④ 若加載成功，返回 對(duì)應(yīng)的Class<T> 對(duì)象施逾；若失敗敷矫，拋出異忱瘢“ClassNotFoundException”。
一般情況下曹仗，雙親加載模型如下所示：

雙親加載模型.png

注意：雙親委派模型中的"雙親"并不是指它有兩個(gè)父類加載器的意思榨汤，一個(gè)類加載器只應(yīng)該有一個(gè)父加載器。上面的步驟中怎茫，有兩個(gè)角色：1）父類加載器(parent classloader)：它可以替子加載器嘗試加載類收壕；2）引導(dǎo)類加載器（bootstrap classloader）: 子類加載器只能判斷某個(gè)類是否被引導(dǎo)類加載器加載過(guò)，而不能委托它加載某個(gè)類轨蛤；換句話說(shuō)蜜宪，就是子類加載器不能接觸到引導(dǎo)類加載器，引導(dǎo)類加載器對(duì)其他類加載器而言是透明的祥山。

JDK源碼看java.lang.ClassLoader的核心方法 loadClass()的實(shí)現(xiàn)：

//提供class類的二進(jìn)制名稱表示圃验，加載對(duì)應(yīng)class，加載成功缝呕，則返回表示該類對(duì)應(yīng)的Class<T> instance 實(shí)例
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    return loadClass(name, false);
}


protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 首先澳窑，檢查是否已經(jīng)被當(dāng)前的類加載器記載過(guò)了，如果已經(jīng)被加載供常，直接返回對(duì)應(yīng)的Class<T>實(shí)例
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
            //初次加載
            if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    //如果有父類加載器摊聋，則先讓父類加載器加載
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 沒(méi)有父加載器，則查看是否已經(jīng)被引導(dǎo)類加載器加載栈暇，有則直接返回
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ClassNotFoundException thrown if class not found
                // from the non-null parent class loader
            }
            // 父加載器加載失敗麻裁，并且沒(méi)有被引導(dǎo)類加載器加載，則嘗試該類加載器自己嘗試加載
            if (c == null) {
                // If still not found, then invoke findClass in order
                // to find the class.
                long t1 = System.nanoTime();
                // 自己嘗試加載
                c = findClass(name);

                // this is the defining class loader; record the stats
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        //是否解析類 
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

相對(duì)應(yīng)地源祈，我們可以整理出雙親模型的工作流程圖：

4.2.3 舉例說(shuō)明

5 內(nèi)存模型

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū).png

5.1 Stack區(qū)

5.1.1 程序計(jì)數(shù)器（Program Counter）

線程私有悲立，指示當(dāng)前線程執(zhí)行到的字節(jié)碼行數(shù)。JVM多線程是通過(guò)線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的新博。在一個(gè)確定的時(shí)刻薪夕，一個(gè)處理器（或者說(shuō)多核處理器的一個(gè)內(nèi)核）只會(huì)執(zhí)行一條線程中的命令。因此赫悄，為了正常的切換線程原献，每個(gè)線程都會(huì)有一個(gè)獨(dú)立的PC，各線程的PC不會(huì)互相影響埂淮。

如果線程在執(zhí)行的是Java方法姑隅，那么PC記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址。如果正在執(zhí)行的不是Java方法即Native方法倔撞，那么PC的值為undefined讲仰。

PC的內(nèi)存區(qū)域是唯一的沒(méi)有規(guī)定任何OutOfMemoryError的Java虛擬機(jī)規(guī)范中的區(qū)域。

5.1.2 Java虛擬機(jī)棧（Java VM Stack）

線程私有痪蝇，生命周期跟線程相同鄙陡。虛擬機(jī)棧描述Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型冕房，每個(gè)方法被執(zhí)行時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀(Stack Frame)，棧幀會(huì)利用局部變量數(shù)組存儲(chǔ)局部變量(Local Variables)趁矾，操作棧(Operand Stack)耙册，方法出口(Return Value)，動(dòng)態(tài)連接(Current Class Constant Pool Reference)等信息毫捣。

5.1.2.1 棧幀

棧幀.png

• 局部變量數(shù)組
  存儲(chǔ)了編譯可知的八個(gè)基本類型(int, boolean, char, short, byte, long, float, double)详拙，對(duì)象引用(根據(jù)不同的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)可能是引用地址的指針或者一個(gè)handle)，returnAddress類型蔓同。64位的long和double會(huì)占用兩個(gè)Slot饶辙，其余類型會(huì)占用一個(gè)Slot。在編譯期間斑粱，局部變量所需的空間就會(huì)完成分配弃揽，動(dòng)態(tài)運(yùn)行期間不會(huì)改變所需的空間。

• 操作棧
  在執(zhí)行字節(jié)碼指令時(shí)會(huì)被用到珊佣，這種方式類似于原生的CPU寄存器，大部分JVM把時(shí)間花費(fèi)在操作棧的花費(fèi)上披粟，操作棧和局部變量數(shù)組會(huì)頻繁的交換數(shù)據(jù)咒锻。

• 動(dòng)態(tài)連接
  控制著運(yùn)行時(shí)常量池和棧幀的連接。所有方法和類的引用都會(huì)被當(dāng)作符號(hào)的引用存在常量池中守屉。符號(hào)引用是實(shí)際上并不指向物理內(nèi)存地址的邏輯引用惑艇。
  JVM 可以選擇符號(hào)引用解析的時(shí)機(jī)，一種是當(dāng)類文件加載并校驗(yàn)通過(guò)后拇泛，這種解析方式被稱為饑餓方式滨巴。另外一種是符號(hào)引用在第一次使用的時(shí)候被解析，這種解析方式稱為惰性方式俺叭。無(wú)論如何 恭取，JVM 必須要在第一次使用符號(hào)引用時(shí)完成解析并拋出可能發(fā)生的解析錯(cuò)誤。
  綁定是將對(duì)象域熄守、方法蜈垮、類的符號(hào)引用替換為直接引用的過(guò)程。綁定只會(huì)發(fā)生一次裕照，一旦綁定攒发，符號(hào)引用會(huì)被完全替換。如果一個(gè)類的符號(hào)引用還沒(méi)有被解析晋南，那么就會(huì)載入這個(gè)類惠猿。每個(gè)直接引用都被存儲(chǔ)為相對(duì)于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)（與運(yùn)行時(shí)變量或方法的位置相關(guān)聯(lián)的）偏移量。

對(duì)Java虛擬機(jī)棧這個(gè)區(qū)域负间，Java虛擬機(jī)規(guī)范規(guī)定了兩種異常：1）線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度偶妖，拋出StackOverFlow異常姜凄。2）對(duì)于支持動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的虛擬機(jī)，當(dāng)擴(kuò)展無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出OutOfMemory異常餐屎。

5.1.3 本地方法棧（Native Method Stack）

主要為Native方法服務(wù)檀葛，在JVM規(guī)范中，沒(méi)有對(duì)它的實(shí)現(xiàn)做具體規(guī)定腹缩。

5. 2 Non Heap區(qū)

5.2.1 代碼緩存(Code Cache)

用于編譯和存儲(chǔ)那些被 JIT 編譯器編譯成原生代碼的方法屿聋。

5.2.2 方法區(qū)（Method Area）

方法區(qū)內(nèi)容.png

線程間共享，用于存儲(chǔ)已經(jīng)被虛擬機(jī)加載的類信息藏鹊、常量润讥、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)盘寡。它屬于非堆區(qū)(Non Heap)楚殿，和Java堆區(qū)分開(kāi)。

對(duì)于存在永久代(Permanent)概念的虛擬機(jī)(HotSpot)而言竿痰，方法區(qū)處于永久代脆粥。Java虛擬機(jī)規(guī)范對(duì)方法區(qū)的規(guī)定很寬松，甚至可以不實(shí)現(xiàn)GC影涉。不過(guò)并非進(jìn)入方法區(qū)的數(shù)據(jù)就會(huì)永久存在了变隔，這塊區(qū)域的內(nèi)存回收主要為常量池的回收和類型的卸載。這個(gè)區(qū)域的回收處理不善也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的內(nèi)存泄漏蟹倾。當(dāng)方法區(qū)無(wú)法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)也會(huì)拋出OutOfMemoryError匣缘。

注：運(yùn)行時(shí)常量池用于存放編譯期生成的各種字面量與符號(hào)引用，如String類型常量就存放在常量池鲜棠。

5.2.2.1 類信息(Class Data)

類信息存儲(chǔ)在方法區(qū)肌厨，其主要構(gòu)成為運(yùn)行時(shí)常量池(Run-Time Constant Pool)和方法(Method Code)。
一個(gè)編譯后的類文件包括以下結(jié)構(gòu)：

• 運(yùn)行時(shí)常量池(Run-Time Constant Pool)
  Class文件中有類的版本，字段竭宰，方法空郊，接口等描述信息和用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用。這部分內(nèi)容將在類加載后存放到方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中切揭。Java虛擬機(jī)規(guī)范對(duì)Class的細(xì)節(jié)有著嚴(yán)苛的要求而對(duì)運(yùn)行時(shí)常量池的實(shí)現(xiàn)不做要求狞甚。一般來(lái)說(shuō)除了翻譯的Class，翻譯出來(lái)的直接引用也會(huì)存在運(yùn)行時(shí)常量池中廓旬。

運(yùn)行時(shí)常量池具備動(dòng)態(tài)性哼审，即運(yùn)行時(shí)也可將新的常量放入池中，比如String類的intern()方法孕豹。常量池?zé)o法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存分配時(shí)也會(huì)拋出OutOfMemoryError涩盾。

5.3 Heap區(qū)

5.3.1 堆（Heap）

線程間共享，用于存儲(chǔ)對(duì)象實(shí)例励背，可以通過(guò)-Xmx和-Xms控制堆的大小春霍。如下圖所示：

GC堆.png

Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因而也被稱為GC堆椅野。收集器采用分代回收法终畅，GC堆可以分為新生代(Yong Generation)和老生代(Old Generation)籍胯。新生代包括Eden Space和Survivor Space竟闪。

• 新生代（Young）
  新生代主要存放新創(chuàng)建的對(duì)象，通痴壤牵可以劃分為Eden Space和Survivor Space炼蛤。Eden空間不足時(shí)會(huì)把存活的對(duì)象轉(zhuǎn)移到Survivor，可用-XX:SurvivorRatio控制Eden和Survivor的比例蝶涩。
• 舊生代（Tenured）
  存放經(jīng)過(guò)多次垃圾回收后仍舊存活的對(duì)象理朋；

根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范，堆所在的物理內(nèi)存區(qū)間可以是不連續(xù)的绿聘，只要邏輯連續(xù)就可以嗽上。實(shí)現(xiàn)時(shí)既可以是固定大小，也可以是可擴(kuò)展的熄攘。如果堆無(wú)法擴(kuò)展時(shí)兽愤，就會(huì)拋出OutOfMemoryError。

6 執(zhí)行引擎機(jī)制

Java字節(jié)碼是由執(zhí)行引擎來(lái)完成，流程圖如下所示：

執(zhí)行引擎.png

主要的執(zhí)行技術(shù)：解釋浅萧，即時(shí)編譯逐沙，自適應(yīng)優(yōu)化、芯片級(jí)直接執(zhí)行洼畅。

• 解釋：屬于第一代JVM吩案；
• 即時(shí)編譯：屬于第二代JVM；
• 自適應(yīng)優(yōu)化：吸取第一代和第二代的經(jīng)驗(yàn)帝簇，采用兩者結(jié)合的方式徘郭；

7 垃圾回收

將內(nèi)存中不再被使用的對(duì)象進(jìn)行回收，GC中用于回收的方法稱為收集器己儒，由于GC需要消耗一些資源和時(shí)間崎岂，Java在對(duì)對(duì)象的生命周期特征進(jìn)行分析后，按照新生代闪湾、舊生代的方式來(lái)進(jìn)行對(duì)象的收集冲甘，以盡可能的縮短GC對(duì)應(yīng)用造成的暫停。

• Minor GC：對(duì)新生代的對(duì)象收集途样；
• Full GC：對(duì)舊生代的對(duì)象收集江醇；

不同的對(duì)象引用類型， GC會(huì)采用不同的方法進(jìn)行回收何暇，JVM對(duì)象的引用分為了四種類型：

• 強(qiáng)引用：默認(rèn)情況下陶夜，對(duì)象采用的均為強(qiáng)引用（這個(gè)對(duì)象的實(shí)例沒(méi)有其他對(duì)象引用，GC時(shí)才會(huì)被回收）裆站。
• 軟引用：軟引用是Java中提供的一種比較適合于緩存場(chǎng)景的應(yīng)用（只有在內(nèi)存不夠用的情況下才會(huì)被GC）条辟。
• 弱引用：在GC時(shí)一定會(huì)被GC回收。
• 虛引用：由于虛引用只是用來(lái)得知對(duì)象是否被GC宏胯。

參考資料

[1] 詳細(xì)介紹Java虛擬機(jī)（JVM）
[2] Java基礎(chǔ)：Java虛擬機(jī)(JVM) ★
[3] Java 虛擬機(jī)底層原理知識(shí)總結(jié) ★
[4] 深入分析 Javac 編譯原理 ★
[5] 《Java虛擬機(jī)原理圖解》 1.1羽嫡、class文件基本組織結(jié)構(gòu) ★★
[6] JVM 類加載機(jī)制及雙親委派模型 ★
[7] 虛擬機(jī)類加載機(jī)制
[8] 理解虛擬機(jī)jvm的工作原理 √