JVM內存結構以及字節碼

1、JVM內存結構

1.1 下面整體說說內存

        Java虛擬機會將內存分爲幾個不一樣的管理區，這些區域各自有各自的用途，根據不一樣的特色，承擔不一樣的任務以及在垃圾回收時運用不一樣的算法。整體分爲下面幾個部分：

程序計數器（Program Counter Register）、JVM虛擬機棧（JVM Stacks）、本地方法棧（Native Method Stacks）、堆（Heap）、方法區（Method Area）

  jvm 管理的內存大體包括三種不一樣類型的內存區域：

Permanent Generation space（永久保存區域）、Heap space(堆區域)、Java Stacks(Java棧）。

其中永久保存區域主要存放Class（類）和Meta的信息，Class第一次被 Load 的時候被放入 PermGen space區域，Class須要存儲的內容主要包括方法和靜態屬性。堆區域用來存放Class的實例（即對象），對象須要存儲的內容主要是非靜態屬性。每次用new建立一個對象實例後，對象實例存儲在堆區域中，這部分空間也被jvm的垃圾回收機制管理。而Java棧跟大多數編程語言包括彙編語言的棧功能類似，主要基本類型變量以及方法的輸入輸出參數。Java程序的每一個線程中都有一個獨立的堆棧。容易發生內存溢出問題的內存空間包括：Permanent Generation space和Heap space。

1.2 下面說說具體各個結構的功能

1.2.一、程序計數器（Program Counter Register）

      這是一塊比較小的內存，不在Ram上，而是直接劃分在CPU上的，程序員沒法直接操做它，它的做用是：JVM在解釋字節碼文件（.class）時(每次執行class裏面的方法其實就是調用JVM方法區裏面的字節碼指令)，存儲當前線程所執行的字節碼的行號，只是一種概念模型，各類JVM所採用的方式不一樣，字節碼解釋器工做時，就是經過改變程序計數器的值來選取下一條要執行的指令，分支、循環、跳轉、等基礎功能都是依賴此技術區完成的。

       還有一種狀況，就是咱們常說的Java多線程方面的，多線程就是經過現程輪流切換而達到的，同一時刻，一個內核只能執行一個指令，因此，對於每個程序來講，必須有一個計數器來記錄程序的執行進度，這樣，當現程恢復執行的時候，才能從正確的地方開始，因此，每一個線程都必須有一個獨立的程序計數器，這類計數器爲線程私有的內存。若是一個線程正在執行一個Java方法，則計數器記錄的是字節碼的指令的地址，若是執行的一個Native方法，則計數器的記錄爲空，此內存區是惟一一個在Java規範中沒有任何OutOfMemoryError狀況的區域。

1,2.二、JVM虛擬機棧（JVM Stacks）

      JVM虛擬機棧就是咱們常說的堆棧的棧（咱們經常把內存粗略分爲堆和棧），和程序計數器同樣，也是線程私有的，生命週期和線程同樣，每一個方法被執行的時候會產生一個棧幀，用於存儲局部變量表、動態連接、操做數、方法出口等信息。方法的執行過程就是棧幀在JVM中出棧和入棧的過程。局部變量表中存放的是各類基本數據類型，如boolean、byte、char、等8種，及引用類型（存放的是指向各個對象的內存地址），所以，它有一個特色：內存空間能夠在編譯期間就肯定，運行期不在改變。這個內存區域會有兩種可能的Java異常：StackOverFlowError和OutOfMemoryError。

注意：Java 棧堆的區別與聯繫

      當在一段代碼塊定義一個變量時，Java就在棧中爲這個變量分配內存空間，當超過變量的做用域後，Java會自動釋放掉爲該變量所分配的內存空間，該內存空間能夠當即被另做他用。   

      堆內存用來存放由new建立的對象和數組。在堆中分配的內存，由Java虛擬機的自動垃圾回收器來管理。在堆中產生了一個數組或對象後，還能夠在棧中定義一個特殊的變量，讓棧中這個變量的取值等於數組或對象在堆內存中的首地址，棧中的這個變量就成了數組或對象的引用變量。引用變量就至關因而爲數組或對象起的一個名稱，之後就能夠在程序中使用棧中的引用變量來訪問堆中的數組或對象。   

1.2.三、本地方法棧（Native Method Stacks）

      從名字便可看出，本地方法棧就是用來處理Java中的本地方法的，Java類的祖先類Object中有衆多Native方法，如hashCode()、wait()等，他們的執行不少時候是藉助於操做系統，可是JVM須要對他們作一些規範，來處理他們的執行過程。此區域，能夠有不一樣的實現方法，向咱們經常使用的Sun的JVM就是本地方法棧和JVM虛擬機棧是同一個。

1.2.四、堆（Heap）

      堆內存是內存中最重要的一塊，也是最有必要進行深究的一部分。由於Java性能的優化，主要就是針對這部份內存的。全部的對象實例及數組都是在堆上面分配的（隨着JIT技術的逐漸成熟，這句話視乎有些絕對，不過至少目前還基本是這樣的），可經過-Xmx和-Xms來控制堆的大小。JIT技術的發展產生了新的技術，如棧上分配和標量替換，也許在不久的幾年裏，即時編譯會誕生及成熟，那個時候，「全部的對象實例及數組都是在堆上面分配的」這句話就應該稍微改改了。堆內存是垃圾回收的主要區域，因此在下文垃圾回收板塊會重點介紹，此處只作概念方面的解釋。在32位系統上最大爲2G，64位系統上無限制。可經過-Xms和-Xmx控制，-Xms爲JVM啓動時申請的最小Heap內存，-Xmx爲JVM可申請的最大Heap內存。

1.2.五、JVM 方法區（Method Area）

      方法區是全部線程共享的內存區域，用於存儲已經被 JVM 加載的類信息、常量、靜態變量等數據，通常來講，方法區屬於持久代（關於持久代，會在GC部分詳細介紹，除了持久代，還有新生代和舊生代），也難怪Java規範將方法區描述爲堆的一個邏輯部分，可是它不是堆。方法區的垃圾回收比較棘手，就算是Sun的HotSpot VM在這方面也沒有作得多麼完美。此處引入方法區中一個重要的概念：運行時常量池。主要用於存放在編譯過程當中產生的字面量（字面量簡單理解就是常量）和引用。通常狀況，常量的內存分配在編譯期間就能肯定，但不必定全是，有一些可能就是運行時也可將常量放入常量池中，如String類中有個Native方法intern()<關於intern()的詳細說明，請看另外一篇文章：http://blog.csdn.net/zhangerqing/article/details/8093919>

此處補充一個在JVM內存管理以外的一個內存區：直接內存。在JDK1.4中新加入類NIO類，引入了一種基於通道與緩衝區的I/O方式，它可使用Native函數庫直接分配堆外內存，即咱們所說的直接內存，這樣在某些場景中會提升程序的性能。

1.2.6 JVM 垃圾回收(GC)

       在咱們上面介紹的五大區中，有三個是不須要進行垃圾回收的：程序計數器、JVM棧、本地方法棧。由於它們的生命週期是和線程同步的，隨着線程的銷燬，它們佔用的內存會自動釋放，因此只有方法區和堆須要進行GC。具體到哪些對象的話，簡單概況一句話：若是某個對象已經不存在任何引用，那麼它能夠被回收。通俗解釋一下就是說，若是一個對象，已經沒有什麼做用了，就能夠被當廢棄物被回收了。

       垃圾回收算法：

       根據一個經典的引用計數算法，每一個對象添加一個引用計數器，每被引用一次，計數器加1，失去引用，計數器減1，當計數器在一段時間內保持爲0時，該對象就認爲是能夠被回收得了。可是，這個算法有明顯的缺陷：當兩個對象相互引用，可是兩者已經沒有做用時，按照常規，應該對其進行垃圾回收，可是其相互引用，又不符合垃圾回收的條件，所以沒法完美處理這塊內存清理，所以Sun的JVM並無採用引用計數算法來進行垃圾回收。而是採用一個叫：根搜索算法，以下圖：

       基本思想就是：從一個叫GC Roots的對象開始，向下搜索，若是一個對象不能到達GC Roots對象的時候，說明它已經再也不被引用，便可被進行垃圾回收（此處 暫且這樣理解，其實事實還有一些不一樣，當一個對象再也不被引用時，並無徹底「死亡」，若是類重寫了finalize()方法，且沒有被系統調用過，那麼系統會調用一次finalize()方法，以完成最後的工做，在這期間，若是能夠將對象從新與任何一個和GC Roots有引用的對象相關聯，則該對象能夠「重生」，若是不能夠，那麼就說明完全能夠被回收了），如上圖中的Object五、Object六、Object7，雖然它們3個依然可能相互引用，可是整體來講，它們已經沒有做用了，這樣就解決了引用計數算法沒法解決的問題。

1.3 字節碼基礎：JVM字節碼初探

歡迎來到「Under The Hood「第三期。前兩期咱們分別介紹了JVM的基本結構和功能和Java類文件的基本結構，本期的主要內容有：字節碼所操做的原始類型、類型轉換的字節碼，以及操做JVM棧的字節碼。

字節碼格式

字節碼是JVM的機器語言。JVM加載類文件時，對類中的每一個方法，它都會獲得一個字節碼流。這些字節碼流保存在JVM的方法區中。在程序運行過程當中，當一個方法被調用時，它的字節碼流就會被執行。根據特定JVM設計者的選擇，它們能夠經過解釋的方式，即時編譯（Just-in-time compilation）的方式或其餘技術的方式被執行。

方法的字節碼流就是JVM的指令（instruction）序列。每條指令包含一個單字節的操做碼（opcode）和0個或多個操做數（operand）。操做碼指明要執行的操做。若是JVM在執行操做前，須要更多的信息，這些信息會以0個或多個操做數的方式，緊跟在操做碼的後面。

每種類型的操做碼都有一個助記符（mnemonic）。相似典型的彙編語言風格，Java字節碼流能夠用它們的助記符和緊跟在後面的操做數來表示。例如，下面的字節碼流能夠分解成多個助記符的形式。

// 字節碼流: 03 3b 84 00 01 1a 05 68 3b a7 ff f9
// 分解後:
iconst_0      // 03
istore_0      // 3b
iinc 0, 1     // 84 00 01
iload_0       // 1a
iconst_2      // 05
imul          // 68
istore_0      // 3b
goto -7       // a7 ff f9

字節碼指令集被設計的很緊湊。除了處理跳錶的2條指令之外，全部的指令都以字節邊界對齊。操做碼的總數不多，一個字節就能搞定。這最小化了JVM加載前，經過網絡傳輸的類文件的大小；也使得JVM能夠維持很小的實現。

JVM中，全部的計算都是圍繞棧（stack）而展開的。由於JVM沒有存儲任意數值的寄存器（register），全部的操做數在計算開始以前，都必須先壓入棧中。所以，字節碼指令主要是用來操做棧的。例如，在上面的字節碼序列中，經過iload_0先把本地變量（local variable）入棧，而後用iconst_2把數字2入棧的方式，來計算本地變量乘以2。兩個整數都入棧以後，imul指令有效的從棧中彈出它們，而後作乘法，最後把運算結果壓入棧中。istore_0指令把結果從棧頂彈出，保存回本地變量。JVM被設計成基於棧，而不是寄存器的機器，這使得它在如80486寄存器架構不佳的處理器上，也能被高效的實現。