JVMmemorymodel

這篇文章主要介紹在JVM規(guī)范中描述的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)(RuntimeDataAreas)。這些區(qū)域設(shè)計(jì)用來存儲(chǔ)被JVM自身或者在JVM上運(yùn)行的程序所是用的數(shù)據(jù)。

我們先總覽JVM，然后介紹下字節(jié)碼，最后介紹不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。

總覽

JVM作為操作系統(tǒng)的抽象，保證同樣的代碼在不同的硬件或操作系統(tǒng)上的行為一致。

比如:

對(duì)于基本類型int,無論在16位/32位/64位操作系統(tǒng)上，都是一個(gè)32位有符號(hào)整數(shù)。范圍從-2^31到2^31-1

無論操作系統(tǒng)或者硬件是大字節(jié)序還是小字節(jié)序，保證JVM存儲(chǔ)和使用的內(nèi)存中的數(shù)據(jù)都是大字節(jié)序(先讀高位字節(jié))

不同的JVM實(shí)現(xiàn)可能會(huì)有些區(qū)別，但大體上是相同的。

上圖是一個(gè)JVM的總覽

JVM解釋編譯器生成的字節(jié)碼。雖然JVM是Java虛擬機(jī)的縮寫，但是只要是能夠編譯為字節(jié)碼的語言，都可以基于JVM運(yùn)行，比如 scala、groovy<喎�"/kf/ware/vc/" target="_blank" class="keylink">vcD4NCjxwPs6qwcux3MPixrW3sbXEtMXFzEkvT6Os19a92sLru+Gxu2NsYXNzbG9hZGVyvNPU2LKiu7q05rW91MvQ0Mqxyv2+3cf41tC1xNK7uPbH+NPyo6zWqrXAvNPU2Mv8tcRjbGFzc2xvYWRlcrG7z/q72bvy1d9KVk3No9a51MvQ0KGjPC9wPg0KPHA+vNPU2LXE19a92sLrzai5/da00NDS/cfmKGV4ZWN1dGlvbiBlbmdpbmUpvfjQ0L3iys26zda00NA8L3A+DQo8cD7WtNDQ0v3H5tDo0qq05rSis8zQ8snPz8LOxKOsscjI57PM0PLWtNDQtb3ExNK70NCjrLvy1d/K/b7dvMbL47XE1tC85L3hufs8L3A+DQo8cD7WtNDQ0v3H5tKyuLrU8LSmwO3T67XXsuOy2df3z7XNs7XEvbu7pTwvcD4NCjxwPioquty24EpWTba8yrXP1sHLvLTKsbHg0uu5psTcKEpJVD1qdXN0IGluIHRpbWUpoaNKSVS+zcrHsNG+rbOj1rTQ0LXEtPrC6yjIyLXjtPrC6ymx4NLrs8mxvrXYtPrC6yhOYXRpdmUgQ29kZSmho7Tmt8VKSVSx4NLryfqzybT6wuu1xMf40/Kzxs6qPC9wPg0KPHA+tPrC67u6tObH+ChDb2RlIENhY2gpoaO8tMqxseDS67y8yvUoSklUKby2tPO1xMzhuN/By0pWTbXE0NTE3CoqPC9wPg0KPGgyIGlkPQ=="基于棧stack的架構(gòu)">基于棧(stack)的架構(gòu)

JVM使用基于棧的架構(gòu)。雖然棧對(duì)于開發(fā)者是透明的，但是棧對(duì)于生成的字節(jié)碼和JVM都有很重要的作用或者說影響。

我們開發(fā)的程序，會(huì)轉(zhuǎn)換位低級(jí)別的操作，存于字節(jié)碼中。在JVM中通過操作數(shù)(operand)映射到操作指令。按照J(rèn)VM規(guī)范，操作指令需要的參數(shù)是從操作數(shù)棧獲得的(the operand stack)。

舉個(gè)兩個(gè)數(shù)相加的例子。這這個(gè)操作稱為 iadd 。下面是在字節(jié)碼中 3+4 的過程

首先把3和4壓入操作數(shù)棧

調(diào)用 iadd 指令

iadd 指令會(huì)從操作數(shù)棧頂彈出2個(gè)數(shù)

3+4的結(jié)果壓入操作數(shù)棧，供后面使用

這種方式被稱為基于棧的架構(gòu)。還有其他的方式可以處理低級(jí)別操作，比如基于寄存器的架構(gòu)(register based architecture)。

字節(jié)碼

java字節(jié)碼是java源碼轉(zhuǎn)換為一系列低級(jí)別操作的結(jié)果。每個(gè)操作由一個(gè)字節(jié)長度的操作碼（opcode or operation code）和零或多個(gè)字節(jié)長度的參數(shù)(但是大多數(shù)操作使用的參數(shù)都是通過操作數(shù)棧獲取的)組成。一個(gè)字節(jié)可以表示256個(gè)數(shù)，從0x00到0xff，目前到j(luò)ava8，共使用了204個(gè)。

下面列出不同種類的字節(jié)碼操作碼以及其范圍和簡單的描述

Constants: 將常量池的值或者已知的值壓入操作數(shù)棧。 0x00 - 0x14

Loads: 將局部變量值壓入操作數(shù)棧。 0x15 - 0x35

Stores: 從操作數(shù)棧加載值賦給局部變量 0x36 - 0x56

Stack: 處理操作數(shù)棧 0x57 - 0x5f

Math: 從操作數(shù)棧獲取值進(jìn)行基本的數(shù)學(xué)計(jì)算 0x60 - 0x84

Conversions: 進(jìn)行類型之間的轉(zhuǎn)換 0x85 - 0x 93

Comaprisons: 兩個(gè)值的比較操作 0x94 - 0xa6

Controls: 執(zhí)行g(shù)oto、return、循環(huán)等等控制操作 0xa7 - 0xb1

References: 執(zhí)行分配對(duì)象或數(shù)組，獲取或檢查 對(duì)象、方法、靜態(tài)方法的引用。也可以調(diào)用靜態(tài)方法。 0xb2 - oxc3

Extended: Extended: operations from the others categories that were added after. From value 0xc4 to 0xc9

(這句說不好什么意思。。。)

Reserved: JVM實(shí)現(xiàn)內(nèi)部是用的槽子0xca,oxfe,oxff

這204個(gè)操作都很簡單，舉幾個(gè)例子

ifeq(0x99) 判斷兩個(gè)值是否相等

iadd(0x60) 把兩個(gè)數(shù)相加

i2l (0x85) 把一個(gè)int 轉(zhuǎn)換位 long

arraylength (0xbe) 返回?cái)?shù)組長度

pop (0x57) 從操作數(shù)棧頂彈出一個(gè)值

我們需要編譯器來創(chuàng)建字節(jié)碼文件，標(biāo)準(zhǔn)的java編譯器就是jdk中的 javac。

public class Test {
 
 public static void main(String[] args) {
  int a =1;
  int b = 15;
  int result = add(a,b);
 }
 
 public static int add(int a, int b){
  int result = a + b;
  return result;
 }
}

通過“javac Test.java” 可以得到 “Test.class”的字節(jié)碼文件。字節(jié)碼文件是2進(jìn)制的，我們可以通過javap，把二進(jìn)制的字節(jié)碼文件轉(zhuǎn)換成文本形式

java -verbose Test.class

Classfile /C:/TMP/Test.class
 Last modified 1 avr. 2015; size 367 bytes
 MD5 checksum adb9ff75f12fc6ce1cdde22a9c4c7426
 Compiled from "Test.java"
public class com.codinggeek.jvm.Test
 SourceFile: "Test.java"
 minor version: 0
 major version: 51
 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
  #1 = Methodref     #4.#15     // java/lang/Object."<init>":()V
  #2 = Methodref     #3.#16     // com/codinggeek/jvm/Test.add:(II)I
  #3 = Class       #17      // com/codinggeek/jvm/Test
  #4 = Class       #18      // java/lang/Object
  #5 = Utf8        <init>
  #6 = Utf8        ()V
  #7 = Utf8        Code
  #8 = Utf8        LineNumberTable
  #9 = Utf8        main
 #10 = Utf8        ([Ljava/lang/String;)V
 #11 = Utf8        add
 #12 = Utf8        (II)I
 #13 = Utf8        SourceFile
 #14 = Utf8        Test.java
 #15 = NameAndType    #5:#6     // "<init>":()V
 #16 = NameAndType    #11:#12    // add:(II)I
 #17 = Utf8        com/codinggeek/jvm/Test
 #18 = Utf8        java/lang/Object
{
 public com.codinggeek.jvm.Test();
  flags: ACC_PUBLIC
  Code:
   stack=1, locals=1, args_size=1
     0: aload_0
     1: invokespecial #1         // Method java/lang/Object."<init>":()V
     4: return
   LineNumberTable:
    line 3: 0
 
 public static void main(java.lang.String[]);
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
  Code:
   stack=2, locals=4, args_size=1
     0: iconst_1
     1: istore_1
     2: bipush    15
     4: istore_2
     5: iload_1
     6: iload_2
     7: invokestatic #2         // Method add:(II)I
    10: istore_3
    11: return
   LineNumberTable:
    line 6: 0
    line 7: 2
    line 8: 5
    line 9: 11
 
 public static int add(int, int);
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
  Code:
   stack=2, locals=3, args_size=2
     0: iload_0
     1: iload_1
     2: iadd
     3: istore_2
     4: iload_2
     5: ireturn
   LineNumberTable:
    line 12: 0
    line 13: 4
}

可以看出字節(jié)碼不只是java代碼的簡單翻譯，它包括：

類的常量池(cosntant pool)描述。常量池是用于存儲(chǔ)類元數(shù)據(jù)的JVM數(shù)據(jù)區(qū)域，比如類內(nèi)部的方法名，參數(shù)列表，等等。當(dāng)JVM加載一個(gè)類的時(shí)候，這些元數(shù)據(jù)就會(huì)加載到常量池

通過行號(hào)表和或局部變量表來提供函數(shù)和天貓的變量在字節(jié)碼中的具體位置信息

java代碼的翻譯(包括隱藏的父類構(gòu)造)

提供更具體的對(duì)于操作數(shù)棧的操作和更完整的傳遞和獲取參數(shù)的方式

下面是一個(gè)簡單的字節(jié)碼文件存儲(chǔ)信息的描述

ClassFile {
 u4 magic;
 u2 minor_version;
 u2 major_version;
 u2 constant_pool_count;
 cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
 u2 access_flags;
 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];
}

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)域設(shè)計(jì)。這些數(shù)據(jù)供開發(fā)者或JVM內(nèi)部使用。

堆(Heap)

堆 在JVM啟動(dòng)的時(shí)候創(chuàng)建，由所有的JVM線程所共享。所有的類實(shí)例、數(shù)組都分配到堆(由new所創(chuàng)建的)。

堆必須由一個(gè)垃圾收集器來管理，垃圾收集器負(fù)責(zé)釋放被開發(fā)者所創(chuàng)建，并且不會(huì)再被使用到的對(duì)象。

至于垃圾收集的策略由JVM實(shí)現(xiàn)決定(比如HotSpot提供了多種算法).

堆內(nèi)存有一個(gè)最大值限制，如果超過這個(gè)值 JVM會(huì)拋出一個(gè) OutOfMemroy異常

方法區(qū)(Method area)

方法區(qū)也是被JVM的所有線程所共享。同樣的隨JVM啟動(dòng)被創(chuàng)建。方法區(qū)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)由classloader從字節(jié)碼中加載，這些數(shù)據(jù)會(huì)在應(yīng)用運(yùn)行過程中一致存在，除非加載它們的classloader被銷毀或者JVM停止。

方法區(qū)存儲(chǔ)如下數(shù)據(jù)：

類信息(屬性名、方法名、父類名、借口名、版本、等等)

方法和構(gòu)造的字節(jié)碼

加載每個(gè)類時(shí)創(chuàng)建的運(yùn)行時(shí)常量池

JVM規(guī)范并不強(qiáng)迫在堆中實(shí)現(xiàn)方法區(qū)。在java7以前，HotSpot 使用一個(gè)稱為永久帶(PermGen)的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)方法區(qū)。永久帶與堆相鄰(和堆一樣進(jìn)行內(nèi)存管理)，默認(rèn)位64MB

從java8開始，HptSpot使用分離的本地內(nèi)存實(shí)現(xiàn)方法區(qū)，起名元數(shù)據(jù)區(qū)(Metaspace)。元數(shù)據(jù)區(qū)最大可用空間即整個(gè)系統(tǒng)的可用內(nèi)存。

如果方法去申請不到可用內(nèi)存,JVM也會(huì)拋出OutOfMemoryError.

運(yùn)行時(shí)常量池(Runtime constant pool)
運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分。因?yàn)檫\(yùn)行吃常量池對(duì)于元數(shù)據(jù)的重要性，java規(guī)范中在方法區(qū)之外單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行了描述。運(yùn)行時(shí)常量池會(huì)隨著加載的類和接口而增長。

常量池有點(diǎn)想傳統(tǒng)語言中的語法表。換句話說，當(dāng)調(diào)用一個(gè)類、方法或?qū)傩詴r(shí)，JVM通過運(yùn)行時(shí)常量池來尋找這些數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的真實(shí)地址。運(yùn)行時(shí)常量池也包含字符串字面值或基本類型的常量

Stirng myString="This is a string litteral"
 
  static final int MY_CONSTANT = 2 ;

pc(程序計(jì)數(shù)器)寄存器(每個(gè)線程) The pc Register (Per Thread)
每個(gè)線程有自己的pc(程序計(jì)數(shù)器)寄存器，與線程創(chuàng)建是一同創(chuàng)建。每個(gè)線程在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上只能執(zhí)行一個(gè)方法，稱為該線程的當(dāng)前方法(current method)。pc寄存器包含JVM當(dāng)前在執(zhí)行指令(在方法區(qū))的地址。

如果當(dāng)前執(zhí)行的方法是本地方法(native),pc寄存器的值是undefined

虛擬機(jī)棧每個(gè)線程-java-virtual-machine-stacks-per-thread">虛擬機(jī)棧(每個(gè)線程) java virtual machine stacks (per thread)
虛擬機(jī)棧存儲(chǔ)多個(gè)幀，因此在描述棧前，我們先來看下幀

幀(frames)

幀是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，幀包含表示線程正在執(zhí)行的當(dāng)前方法狀態(tài)的多個(gè)數(shù)據(jù)：

操作數(shù)棧(Operand Stack): 之前已經(jīng)提到過，字節(jié)碼指令使用操作數(shù)棧來傳遞參數(shù)

局部變量數(shù)組(Local variable array): 這個(gè)數(shù)組包含當(dāng)前執(zhí)行方法的一個(gè)作用域內(nèi)的所有局部變量。這個(gè)數(shù)組可以包含基本類型、引用或者返回地址。局部變量數(shù)組的大小在編譯時(shí)就已經(jīng)確定。jvm在方法調(diào)用時(shí)使用局部變量傳遞參數(shù)，被調(diào)方法的局部變量數(shù)組通過調(diào)用方法的操作數(shù)棧創(chuàng)建。

運(yùn)行時(shí)常量池引用: 引用當(dāng)前類當(dāng)前被執(zhí)行方法的常量池。JVM使用常量池引用傳遞信號(hào)給真正的內(nèi)存引用。

棧(stack)

每個(gè)JVM線程都有一個(gè)私有的JVM棧，與線程同時(shí)創(chuàng)建。java虛擬機(jī)棧存儲(chǔ)幀。每次調(diào)用一個(gè)方法時(shí)，都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)幀，并且壓入虛擬機(jī)棧。當(dāng)這個(gè)方法執(zhí)行完成時(shí)，這個(gè)幀也會(huì)銷毀(無論方法是正常執(zhí)行完成，還是拋出異常)

在一個(gè)線程執(zhí)行的過程中只有一個(gè)幀是可用的。這個(gè)幀稱為當(dāng)前幀(current frame)。

對(duì)局部變量和操作數(shù)棧的操作通常和當(dāng)前幀的引用一起。

我們再看一個(gè)加法的例子

public int add(int a, int b){
 return a + b;
}
 
public void functionA(){
// some code without function call
 int result = add(2,3); //call to function B
// some code without function call
}

在方法A內(nèi)部，A幀是當(dāng)前幀，位于虛擬機(jī)棧頂。在調(diào)用add方法開始時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)新的幀B，并且壓入虛擬機(jī)棧。幀B成為新的當(dāng)前幀。

幀B的局部變量數(shù)組通過幀A的操作數(shù)棧中的數(shù)據(jù)填充。當(dāng)add方法結(jié)束在，幀B被銷毀，幀A重新成為當(dāng)前幀。add方法的結(jié)果壓入A幀的操作數(shù)棧，這樣方法A可以通過幀A的操作數(shù)棧獲取add 的結(jié)果.

總結(jié)

以上就是本文關(guān)于java虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)分析的全部內(nèi)容，希望對(duì)大家有所幫助。

如有不足之處，歡迎留言指出。