JVM虛擬機詳解

一、 什麼是JVM？

　　JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫，JVM是一種用於計算設備的規範，它是一個虛構出來的計算機，是經過在實際的計算機上仿真模擬各類計算機功能來實現的。Java虛擬機包括一套字節碼指令集、一組寄存器、一個棧、一個垃圾回收堆和一個存儲方法域。 JVM屏蔽了與具體操做系統平臺相關的信息，使Java程序只需生成在Java虛擬機上運行的目標代碼（字節碼）,就能夠在多種平臺上不加修改地運行。JVM在執行字節碼時，實際上最終仍是把字節碼解釋成具體平臺上的機器指令執行。

　　Java語言的一個很是重要的特色就是與平臺的無關性。而使用Java虛擬機是實現這一特色的關鍵。通常的高級語言若是要在不一樣的平臺上運行，至少須要編譯成不一樣的目標代碼。而引入Java語言虛擬機後，Java語言在不一樣平臺上運行時不須要從新編譯。Java語言使用Java虛擬機屏蔽了與具體平臺相關的信息，使得Java語言編譯程序只需生成在Java虛擬機上運行的目標代碼（字節碼），就能夠在多種平臺上不加修改地運行。Java虛擬機在執行字節碼時，把字節碼解釋成具體平臺上的機器指令執行。這就是Java的可以「一次編譯，處處運行」的緣由。

二、JRE/JDK/JVM是什麼關係？

　　JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java運行環境)，也就是Java平臺。全部的Java 程序都要在JRE下才能運行。普通用戶只須要運行已開發好的java程序，安裝JRE便可。 
JDK(Java Development Kit)是程序開發者用來來編譯、調試java程序用的開發工具包。JDK的工具也是Java程序，也須要JRE才能運行。爲了保持JDK的獨立性和完整性，在JDK的安裝過程當中，JRE也是 安裝的一部分。因此，在JDK的安裝目錄下有一個名爲jre的目錄，用於存放JRE文件。 
　　JVM(JavaVirtualMachine，Java虛擬機)是JRE的一部分。它是一個虛構出來的計算機，是經過在實際的計算機上仿真模擬各類計算機功能來實現的。JVM有本身完善的硬件架構，如處理器、堆棧、寄存器等，還具備相應的指令系統。Java語言最重要的特色就是跨平臺運行。使用JVM就是爲了支持與操做系統無關，實現跨平臺。

三、JVM原理

　　Java編譯器只要面向JVM，生成JVM能理解的代碼或字節碼文件。Java源文件經編譯成字節碼程序，經過JVM將每一條指令翻譯成不一樣平臺機器碼，經過特定平臺運行。

四、JVM的體系結構

（1）java棧內存，它等價於C語言中的棧， 棧的內存地址是不連續的， 每一個線程都擁有本身的棧。 棧裏面存儲着的是StackFrame，在《JVM Specification》中文版中被譯做java虛擬機框架，也叫作棧幀。StackFrame包含三類信息：局部變量，執行環境，操做數棧。局部變量用來存儲一個類的方法中所用到的局部變量。執行環境用於保存解析器對於java字節碼進行解釋過程當中須要的信息，包括：上次調用的方法、局部變量指針和 操做數棧的棧頂和棧底指針。操做數棧用於存儲運算所須要的操做數和結果。StackFrame在方法被調用時建立，在某個線程中，某個時間點上，只有一個 框架是活躍的，該框架被稱爲Current Frame，而框架中的方法被稱爲Current Method，其中定義的類爲Current Class。局部變量和操做數棧上的操做老是引用當前框架。當Stack Frame中方法被執行完以後，或者調用別的StackFrame中的方法時，則當前棧變爲另一個StackFrame。Stack的大小是由兩種類 型，固定和動態的，動態類型的棧能夠按照線程的須要分配。 下面兩張圖是關於棧之間關係以及棧和非堆內存的關係基本描述：

（2） Java堆是用來存放對象信息的，和Stack不一樣，Stack表明着一種運行時的狀態。換句話說，棧是運行時單位，解決程序該如何執行的問題，而堆是存儲的單位， 解決數據存儲的問題。Heap是伴隨着JVM的啓動而建立，負責存儲全部對象實例和數組的。堆的存儲空間和棧同樣是不須要連續的。

（3）程序計數寄存器，程序計數器（Program Counter Register）是一塊較小的內存空間，它的做用能夠看作是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型裏（僅是概念模型，各類虛擬機可能會經過一些更高效的方式去實現），字節碼解釋器工做時就是經過改變這個計數器的值來選取下一條須要執行的字節碼指令，分支、循環、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都須要依賴這個計數器來完成。

　　因爲Java 虛擬機的多線程是經過線程輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的，在任何一個肯定的時刻，一個處理器（對於多核處理器來講是一個內核）只會執行一條線程中的指令。所以，爲了線程切換後能恢復到正確的執行位置，每條線程都須要有一個獨立的程序計數器，各條線程之間的計數器互不影響，獨立存儲，咱們稱這類內存區域爲「線程私有」的內存。若是線程正在執行的是一個Java 方法，這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令的地址；若是正在執行的是Natvie 方法，這個計數器值則爲空（Undefined）。此內存區域是惟一一個在Java 虛擬機規範中沒有規定任何OutOfMemoryError 狀況的區域。

（4）方法區域（Method Area），在Sun JDK中這塊區域對應的爲PermanetGeneration，又稱爲持久代。方法區域存放了所加載的類的信息（名稱、修飾符等）、類中的靜態變量、類中定義爲final類型的常量、類中的Field信息、類中的方法信息，當開發人員在程序中經過Class對象中的getName、isInterface等方法來獲取信息時，這些數據都來源於方法區域，同時方法區域也是全局共享的，在必定的條件下它也會被GC，當方法區域須要使用的內存超過其容許的大小時，會拋出OutOfMemory的錯誤信息。

（5）運行時常量池（Runtime Constant Pool），存放的爲類中的固定的常量信息、方法和Field的引用信息等，其空間從方法區域中分配。

（6）本地方法堆棧（Native Method Stacks），JVM採用本地方法堆棧來支持native方法的執行，此區域用於存儲每一個native方法調用的狀態。