JVM虛擬機結構

JVM的主要結構以下圖所示，圖片引用自舒の隨想日記。

方法區和堆由全部線程共享，其餘區域都是線程私有的

程序計數器（Program Counter Register）

相似於PC寄存器，是一塊較小的內存區域，經過程序計數器中的值尋找要執行的指令的字節碼，因爲多線程間切換時要恢復每個線程的當前執行位置，因此每一個線程都有本身的程序計算器。這一個區域不會有OutOfMemeryError。當執行Java方法時，這裏存儲的執行的指令的地址，若是執行的是本地方法，這裏的值是Undefined。

虛擬機棧（Java Stack）

虛擬機棧也是線程私有的，每建立一個線程，虛擬機就會爲這個線程建立一個虛擬機棧，虛擬機棧表示Java方法執行的內存模型，每調用一個方法，就會生成一個棧幀（Stack Frame）用於存儲方法的本地變量表、操做棧、方法出口等信息，當這個方法執行完後，就會彈出相應的棧幀。

若是請求的棧的深度過大，虛擬機可能會拋出StackOverflowError異常，若是虛擬機的實現中容許虛擬機棧動態擴展，當內存不足以擴展棧的時候，會拋出OutOfMemoryError異常。

棧幀（Stack Frame）

棧幀分爲三部分：局部變量區（Local Variables）、操做數棧（Operand Stack）和幀數據區（Frame Data）。

局部變量區（Loca Variables）

局部變量區被組織一個一個從0開始的字數組，byte、short、char在存儲前被轉換爲int，boolean也被轉換爲int，0表示false，非0表示true，long和double佔據兩個字長。

操做數棧（Operand Stack）

操做數棧也被組織爲一個字數組，但不一樣於局部變量區，它不是經過數組下標訪問的，而是能過棧的Push和Pop操做，前一個操做Push進的數據能夠被下一個操做Pop出來使用。

幀數據區（Frame Data）

這部分的做用主要有三部分：

• 常量池中數據的解析
  
• 方法執行完後處理方法返回，恢復調用方現場
  
• 方法執行過程當中拋出異常時的異常處理，存儲有一個異常表，當出現異常時虛擬機查找相應的異常表看是否有對應的Catch語句，若是沒有就拋出異常終止這個方法調用

本地方法棧（Native Method Stack）

與虛擬機棧相似，只是是執行本地方法時使用的。

方法區（Method Area）

用於存儲已被虛擬機加載的類型信息、常量、靜態變量、即時編譯後的代碼等信息。

方法區是線程間共享的，當兩個線程同時須要加載一個類型時，只有一個類會請求ClassLoader加載，另外一個線程會等待。

對於每個加載的類型，會在方法區中保存如下信息：

• 類及其父類的全限定名（java.lang.Object沒有父類）
  
• 類的類型（Class or Interface）
  
• 訪問修飾符（public, abstract, final）
  
• 實現的接口的全限定名的列表
  
• 常量池
  
• 字段信息
  
• 方法信息
  
• 除常量外的靜態變量
  
• ClassLoader引用
  
• Class引用

對於每個字段，會在方法區中保存如下信息（字段聲明順序也會保存）：

• 字段名
  
• 字段的類型
  
• 字段的修飾符(public, private , protected, static, final, volatile, transient)

對於每個方法，會在方法區中保存如下信息（方法聲明順序也會保存）：

• 方法名
  
• 方法返回類型（或void）
  
• 參數信息
  
• 方法修飾符(public, private, protected , static, final, synchronized, native, abstract)

若是方法不是抽象方法並非本地方法（Native Method），還會保存如下信息：

• 方法的字節碼
  
• 本地變量表及操做數棧的大小
  
• 異常表

虛擬機須要存儲一些數據，用來快速地訪問一個類對象中的方法，通常實現爲一個方法表。

方法區中還有一部分是運行時常量池，主要用來存儲編譯時生成的字面量和符號引用，常量也能夠在運行時產生，如String的intern方法。

方法區中也可能存在GC，但虛擬機規範對此不作要求，主要是回收一些常量和卸載一些不用的類型信息，不過要卸載一個類的條件很難達到，並且些處GC其實也回收不了多少內存。

堆（Heap）

虛擬機中用於存放對象與數組實例的地方，垃圾回收的主要區域就是這裏（還可能有方法區）。

若是垃圾收集算法採用按代收集（目前大都是這樣），這部分還能夠細分爲新生代和老年代。

新生代又可能分爲Eden區，From Survivor區和To Survivor區，主要是爲了垃圾回收。全部的線程共享Java堆，在這裏還能夠劃分線程私有的緩衝區（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。

Java堆只要求邏輯上是連續的，在物理空間上能夠不連續。

直接內存

JDK1.4中引用了NIO，並引用了Channel與Buffer，可使用Native函數庫直接分配堆外內存，並經過一個存儲在Java堆裏面的DirectByteBuffer對象做爲這塊內存的引用進行操做。

對象訪問

當新建一個對象時，會在堆中爲這個對象分配內存，並在棧中有一個對這個對象引用，除此以外，在Java堆中還要能經過這個對象找到它的類型信息（對象類型，父類，實現的接口，包含的字段與方法等）。

Reference在Java虛擬機中定義爲指向對象的引用，但沒有定義這個Reference應該有怎麼實現。

一種實現是Reference直接存儲對象在堆內的地址，對象的類型信息能夠在對象在堆中的內存佈局中存儲，如存儲在對象內存的開頭等。

另外一種實現是Reference指向一個句柄表中的一個位置，句柄中保存了對象的實際位置及它對應的類型信息。

使用句柄的好處是當在內存中移動對象的位置時，只須要更新句柄表中的內容，不須要改變引用值，但會多一次內存訪問開銷，直接引用的優缺點與此相反。

參考資料：

1. 深刻Java虛擬機
   
2. 深刻理解Java虛擬機-JVM高級特性與最佳實踐
   
3. 淺析Java虛擬機結構與機制