JAVA的主题是其著名的WOTA：“一次编写，随处运行”。为了应用它，Sun Microsystems创建了Java虚拟机，它是解释编译的java代码的底层操作系统的抽象。该JVM是JRE（Java运行环境）的核心组件，创建运行Java代码，但现在所使用的其他语言（Scala, Groovy, JRuby, Closure …）。

在本文中，我将重点介绍JVM规范中描述的运行时数据区。这些区域旨在存储程序或JVM本身使用的数据。我将首先概述JVM然后是什么字节码，并以不同的数据区域结束。

全球概览

JVM是底层操作系统的抽象。它确保无论运行JVM的硬件或操作系统如何，相同的代码都将以相同的行为运行。例如：

• 无论JVM是在16位/ 32位/ 64位操作系统上运行，原始类型int的大小始终是从-2 ^ 31到2 ^ 31-1的32位有符号整数。
• 每个JVM以big-endian顺序（首先是高字节）存储和使用内存中的数据，无论底层OS /硬件是big-endian还是little endian。

注意：有时，JVM实现的行为与另一个不同，但它通常是相同的。

 

 

此图提供了JVM的概述：

• JVM 解释由编译类的源代码产生的字节码。虽然术语JVM代表“Java虚拟机”，但它运行其他语言，如scala或groovy，只要它们可以编译成java字节码。
• 为了避免磁盘I / O，字节码由其中一个运行时数据区中的类加载器加载到JVM 中。此代码保留在内存中，直到JVM停止或类加载器（加载它）被销毁。
• 然后由执行引擎解释并执行加载的代码。
• 执行引擎需要存储数据，如指向正在执行的代码的指针。它还需要存储开发人员代码中处理的数据。
• 执行引擎还负责处理底层操作系统。

注意：如果经常使用，许多JVM实现的执行引擎将字节码编译为本机代码，而不是总是解释字节码。它被称为Just In Time（JIT）编译并大大加快了JVM的速度。编译后的代码暂时保存在通常称为代码缓存的区域中  。由于该区域不符合JVM规范，因此在本文的其余部分我将不再讨论它。

 

 基于堆栈的架构

JVM使用基于堆栈的体系结构。虽然它对开发人员来说是不可见的，但它对生成的字节码和JVM架构产生了巨大的影响，这就是为什么我将简要解释这个概念。

JVM通过执行Java字节码中描述的基本操作来执行开发人员的代码（我们将在下一章中看到它）。操作数是指令操作的值。根据JVM规范，这些操作要求参数通过称为操作数堆栈的堆栈传递。

例如，让我们基本添加2个整数。此操作称为iadd（对于i nteger add ition ）。如果想在字节码中添加3和4：

• 他首先在操作数堆栈中推送3和4。
• 然后调用iadd指令。
• iadd将从操作数堆栈中弹出最后2个值。
• int结果（3 + 4）被推入操作数堆栈以供其他操作使用。

这种功能方式称为基于堆栈的体系结构。还有其他方法可以处理基本操作，例如基于寄存器的体系结构将操作数存储在小寄存器而不是堆栈中。这种基于寄存器的体系结构由桌面/服务器（x86）处理器和前Android虚拟机Dalvik使用。

 

字节码

由于JVM解释字节码，因此在深入了解之前了解它是有用的。

java字节码是将java源代码转换为一组基本操作。每个操作由一个字节组成，该字节表示要执行的指令（称为操作码或操作码），以及用于传递参数的零个或多个字节（但大多数操作使用操作数堆栈来传递参数）。在256个可能的一个字节长的  操作码（从十六进制的值0x00到0xFF）中，当前在java8规范中使用了204个。

以下是不同类别的字节码操作的列表。对于每个类别，我添加了一个小描述和操作代码的十六进制范围：

• 常量：用于从常量池（我们稍后会看到）或从已知值推送到操作数堆栈中的值。从值0x00到0x14
• 加载：用于将局部变量的值加载到操作数堆栈中。从值0x15到0x35
• 存储：用于从操作数堆栈存储到局部变量。从值0x36到0x56
• 堆栈：用于处理操作数堆栈。从值0x57到0x5f
• 数学：用于对操作数堆栈中的值进行基本数学运算。从值0x60到0x84
• 转换：用于从一种类型转换为另一种类型。从值0x85到0x93
• 比较：用于两个值之间的基本比较。从值0x94到0xa6
• 控制：基本操作，如goto，return，...允许更高级的操作，如循环或返回值的函数。从值0xa7到0xb1
• 引用：用于分配对象或数组，获取或检查对象，方法或静态方法的引用。也用于调用（静态）方法。从值0xb2到0xc3
• 扩展：之后添加的其他类别的操作。从值0xc4到0xc9
• 保留：供每个Java虚拟机实现内部使用。3个值：0xca，0xfe和0xff。

这204个操作非常简单，例如：

• 操作数ifeq（0x99）检查2个值是否等于
• 操作数iadd（0x60）增加了2个值
• 操作数i2l（0x85）将整数转换为long
• 操作数arraylength（0xbe）给出数组的大小
• 操作数pop（0x57）弹出操作数堆栈中的第一个值

要创建字节码，需要编译器，JDK中包含的标准java编译器是javac。

我们来看一个简单的补充：

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;   } }

“javac Test.java”命令在Test.class中生成一个字节码。由于java字节码是二进制代码，因此人类无法读取。Oracle在其JDK javap中提供了一个工具  ，它将二进制字节码转换为JVM规范中标记的操作代码的可读集合。

命令“javap -verbose Test.class”给出以下结果：

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 }

可读的.class显示字节码不仅包含java源代码的简单转录。它包含：

• 类的常量池的描述。常量池是JVM的数据区域之一，它存储有关类的元数据，如方法名称，参数......当在JVM中加载类时，此部分进入常量池。
• LineNumberTable或LocalVariableTable之类的信息，用于指定函数的位置（以字节为单位）及其在字节码中的变量。
• 在开发人员的java代码（加上隐藏的构造函数）的字节码中的转录。
• 处理操作数堆栈的特定操作，以及更广泛地传递和获取参数的方式。

仅供参考，这里是存储在.class文件中的信息的简要描述：

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]; }

 

运行时数据区

运行时数据区域是用于存储数据的内存区域。这些数据由开发人员的程序或JVM用于其内部工作。

 

此图显示了JVM中不同运行时数据区域的概述。每个线程的某些区域是唯一的。

 

堆

堆是所有Java虚拟机线程之间共享的内存区域。它是在虚拟机启动时创建的。所有类实例和数组都在堆中分配（使用new运算符）。

MyClass myVariable = new MyClass(); MyClass[] myArrayClass = new MyClass[1024];

此区域必须由垃圾收集器 管理，以删除开发人员在不再使用时分配的实例。清理内存的策略取决于JVM实现（例如，Oracle Hotspot提供了多种算法）。

堆可以动态扩展或收缩，并且可以具有固定的最小和最大大小。例如，在Oracle Hotspot中，用户可以通过以下方式“java -Xms = 512m -Xmx = 1024m ...”指定具有Xms和Xmx参数的堆的最小大小。

 

注意：堆的最大大小不能超过。如果超出此限制，JVM将抛出OutOfMemoryError。

方法区域

Method区域是所有Java虚拟机线程之间共享的内存。它是在虚拟机启动时创建的，由类加载器从字节码加载。只要加载它们的类加载器处于活动状态，方法区域中的数据就会保留在内存中。

方法区域存储：

• 类信息（字段/方法的数量，超类名称，接口名称，版本......）
• 方法和构造函数的字节码。
• 每个类加载的运行时常量池。

规范不强制在堆中实现方法区域。例如，在JAVA7之前，Oracle HotSpot使用名为PermGen的区域来存储方法区域。此PermGen与Java堆（以及由JVM管理的内存，如堆）连续，并且限制为64Mo的默认空间（由参数-XX：MaxPermSize修改）。从Java 8开始，HotSpot现在将方法区域存储在称为Metaspace的独立本机内存空间中，最大可用空间是可用的总系统内存。

 

注意：方法区域不能超过最大大小。如果超出此限制，JVM将抛出OutOfMemoryError。

运行时常量池

该池是方法区的子部分。由于它是元数据的重要组成部分，因此Oracle规范描述了除方法区域之外的运行时常量池。每个加载的类/接口都会增加此常量池。该池就像传统编程语言的符号表。换句话说，当引用类，方法或字段时，JVM使用运行时常量池搜索内存中的实际地址。它还包含常量值，如字符串litterals或常量基元。

String myString1 = “This is a string litteral”; static final int MY_CONSTANT=2;

 

电脑注册（每线程）

每个线程都有自己的pc（程序计数器）寄存器，与线程同时创建。在任何时候，每个Java虚拟机线程都在执行单个方法的代码，即该线程的当前方法。pc寄存器包含当前正在执行的Java虚拟机指令的地址（在方法区域中）。

注意：如果线程当前正在执行的方法是本机的，则Java虚拟机的pc寄存器的值是未定义的.Java虚拟机的pc寄存器足够宽，可以在特定平台上保存returnAddress或本机指针。

 

Java虚拟机堆栈（每线程）

堆栈区域存储多个帧，因此在讨论堆栈之前，我将呈现帧。

框架

框架是一种数据结构，它包含表示当前方法（被调用方法）中线程状态的多个数据：

• 操作数堆栈：我已经在有关基于堆栈的体系结构的章节中介绍了操作数堆栈。字节码指令使用该堆栈来处理参数。此堆栈还用于在（java）方法调用中传递参数，并在调用方法的堆栈顶部获取被调用方法的结果。

• 局部变量数组：此数组包含当前方法范围内的所有局部变量。此数组可以包含基本类型，引用或returnAddress的值。此数组的大小在编译时计算。Java虚拟机使用局部变量在方法调用上传递参数，被调用方法的数组是从调用方法的操作数堆栈创建的。

• 运行时间常量池参考：参考的常量池中当前类的的当前方法被执行。JVM使用它将符号方法/变量引用（例如：myInstance.method（））转换为实际内存引用。

 堆

每个Java虚拟机线程都有一个私有Java虚拟机堆栈，与线程同时创建。Java虚拟机堆栈存储帧。每次调用方法时，都会创建一个新帧并将其放入堆栈中。当方法调用完成时，框架将被销毁，无论该完成是正常还是突然（它会抛出未捕获的异常）。

只有一个帧（执行方法的帧）在给定线程中的任何点处都是活动的。该帧被称为当前帧，并且其方法被称为当前方法。定义当前方法的类是当前类。局部变量和操作数堆栈的操作通常参考当前帧。

 

让我们看看下面的例子，它是一个简单的添加

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 }

以下是在运行functionA（）时JVM内部的工作方式：

 

在functionA（）内部，帧A是堆栈帧的顶部，是当前帧。在内部调用add（）的开始，将一个新帧（Frame B）放入Stack中。帧B成为当前帧。从弹出框架A的操作数堆栈填充框架B的局部变量数组。当add（）完成时，框架B被销毁，框架A再次成为当前框架。add（）的结果放在Frame A的操作数堆栈上，这样functionA（）就可以通过弹出它的操作数堆栈来使用它。

 

注意：此堆栈的功能使其可动态扩展和收缩。堆栈不能超过的最大大小限制了递归调用的数量。如果超出此限制，JVM将抛出  StackOverflowError。

使用Oracle HotSpot，您可以使用参数-Xss指定此限制。

本机方法堆栈（每线程）

这是用Java以外的语言编写并通过JNI（Java Native Interface）调用的本机代码的堆栈。由于它是一个“本机”堆栈，因此该堆栈的行为完全取决于底层操作系统。

 

结论

我希望本文可以帮助您更好地理解JVM。在我看来，最棘手的部分是JVM堆栈，因为它与JVM的内部功能密切相关。