探討Java虛擬機之虛擬機體系結構

   自工做以上，程序由於代碼越寫越多，變得愈來愈臃腫，效率也會變得愈來愈低，因而我總喜歡不斷去優化程序結構外，內存優化和性能調優。

    要對Java程序進行內存優化和性能調優，須要瞭解虛擬機的內部原理，瞭解Java虛擬機的好處除了上述說起兩點好處。從更深一點的技術層面上看，瞭解Java虛擬機的規範和實現，將更加有助於咱們編寫高效、穩定的Java代碼。好比，假如瞭解Java虛擬機的內存模型，瞭解虛擬機的內存回收機制，那麼咱們就不會過度依賴它，而會在須要的時候顯式的"釋放內存"(Java代碼不能顯式釋放內存，可是能夠經過釋放對象引用告知垃圾回收器回收該對象須要被回收)，以下降沒必要要的內存消耗；假如咱們瞭解Java棧的工做原理，那麼咱們就能夠經過減小遞歸層數，減小循環次數來下降堆棧溢出的風險。可能對於應用開發人員來講，可能不會直接去涉及這些Java虛擬機底層實現的工做，可是瞭解這些背景知識，或多或少，都會對咱們寫的程序產生潛移默化的好的影響。

 

本篇文章，將簡明扼要的說明Java虛擬機的體系結構和內存模型，若有用詞不妥或解釋不許確之處，請不吝指正，深感榮幸!

Java 虛擬機體系結構

類裝載子系統

Java虛擬機有兩種類裝載器，分別是啓動類裝載器和用戶自定義裝載器。
通類裝載子系統經過類的全限定名（包名和類名，網絡裝載還包括 URL）將 Class 裝載進運行時數據區。對於每個被裝載的類型，Java虛擬機都會建立一個java.lang.Class類的實例來表明該類型，該實例被放在內存中的堆區，而裝載的類型信息則位於方法區，這一點和全部其餘對象都是同樣的。
類裝載子系統在裝載一個類型前，除了要定位和導入對應的二進制class文件外，還要驗證導入類的正確性，爲類變量分配並初始化內存，以及解析符號引用爲直接引用，這些動做嚴格按照如下順序進行：
裝載——查找並裝載類型的二進制數據；
鏈接——執行驗證，準備以及解析(可選)

      驗證 確保被導入類型的正確性
      準備 爲類變量分配內存，並將其初始化爲默認值
      解析 把類型中的符號引用轉換爲直接應用
 

方法區

對於每個被類裝載子系統裝載的類型，虛擬機都會保存下列數據到方法區:
類型的全限定名
類型超類的全限定名(java.lang.Object沒有超類)
類型是類類型仍是接口類型
類型的訪問修飾符
任何直接超接口的全限定名有序列表

 

除了上述基本類型信息，還將保存以下信息：
類型的常量池
字段信息(包括字段名、字段類型、字段修飾符)
方法信息(包括方法名、返回類型、參數的數量和類型、方法修飾符，若是方法不是抽象和本地的，還將保存方法的字節碼、操做數棧和該方法棧幀中的局部變量區的大小和異常表)
常量之外的全部類變量(其實就是類的靜態變量，由於靜態變量是全部實例共享的，且與類型直接相關，因此他們是類一級的變量，做爲類的成員被保存在方法區)
一個到類ClassLoader的引用

Java代碼  

//返回的就是剛纔保存的ClassLoader引用
String.class.getClassLoader();

 一個到Class類的引用

 

Java代碼  

//將返回剛纔保存的Class類的引用
String.class;

   

注意，方法區也是能夠被垃圾回收器回收的，當一個類型再也不被引用且方法區內存不足時，虛擬機將卸載該類型，回收內存。

 

堆
Java程序在運行時建立的全部類實例或數組都放在同一個堆中，而每個Java虛擬機也只有一個堆空間，全部線程將共享這一個堆(這就是一個多線程的Java程序會產生對象訪問的同步問題的緣由了)。
因爲每一種Java虛擬機都有對虛擬機規範的不一樣實現，因此咱們可能不知道每一種Java虛擬機在堆中是以何種形式表示對象實例的，不過咱們能夠經過下面這可能的實現來一窺端倪:

 

程序計數器

對於運行中的Java程序而言，每個線程都有本身的PC（程序計數器）寄存器，它是在該線程啓動時建立的，大小爲一個字長，用來保存須要被執行的下一行代碼的位置。

 

 

Java棧

每個線程都有一個Java棧，以棧幀爲單位保存線程的運行狀態。虛擬機對Java棧的操做有兩種：壓棧和出棧，兩者都已幀爲單位。棧幀保存了傳入參數、局部變量、中間運算結果等數據，在方法完成時被彈出，而後釋放。
看一下兩個局部變量相加時棧幀的內存快照

本地方法棧

這是 Java 調用操做系統本地庫的地方，用來實現 JNI（Java Native Interface，Java 本地接口）

 

執行引擎

Java虛擬機的核心，控制裝入 Java 字節碼並解析；對於運行中的Java程序而言，每個線程都是一個獨立的虛擬機執行引擎的實例，從線程生命週期的開始到結束，他要麼在執行字節碼，要麼在執行本地方法。

本地接口

鏈接了本地方法棧和操做系統庫。

 

注:文中全部提到"Java虛擬機"的地方都是指"JavaEE和JavaSE平臺的Java虛擬機規範"。