JVM 的主要组成部分及其作用

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JVM包含两个子系统和两个组件，两个子系统为 Class loader(类装载)、Execution engine(执行引擎)；两个组件为 Runtime data area(运行时数据区)、Native Interface(本地接口)。

  • Class loader(类装载)：根据给定的全限定名类名(如：java.lang.Object)来装载class文件到Runtime data area中的method area。

  • Execution engine（执行引擎）：执行classes中的指令。

  • Native Interface(本地接口)：与native libraries交互，是其它编程语言交互的接口。

  • Runtime data area(运行时数据区域)：这就是我们常说的JVM的内存。

首先通过编译器把 Java 代码转换成字节码，类加载器（ClassLoader）再把字节码加载到内存中，将其放在运行时数据区（Runtime data area）的方法区内，而字节码文件只是 JVM 的一套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器执行引擎（Execution Engine），将字节码翻译成底层系统指令，再交由 CPU 去执行，而这个过程中需要调用其他语言的本地库接口（Native Interface）来实现整个程序的功能。

JVM内存模型

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Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括如上图所示的几个运行时数据区域：

  • 程序计数器（Program Counter Register）：当前线程所执行的字节码的行号指示器，字节码解析器的工作是通过改变这个计数器的值，来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能，都需要依赖这个计数器来完成；
  • Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）：用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息；
  • 本地方法栈（Native Method Stack）：与虚拟机栈的作用是一样的，只不过虚拟机栈是服务 Java 方法的，而本地方法栈是为虚拟机调用 Native 方法服务的；
  • Java 堆（Java Heap）：Java 虚拟机中内存最大的一块，是被所有线程共享的，几乎所有的对象实例都在这里分配内存；
  • 方法区（Methed Area）：用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。**运行时常量池（Runtime Constant Pool）**是方法区中的一部分。

虚拟机栈(线程私有)

是描述java方法执行的内存模型，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。 每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

栈帧（ Frame）是用来存储数据和部分过程结果的数据结构，同时也被用来处理动态链接(Dynamic Linking)、 方法返回值和异常分派（ Dispatch Exception）。 栈帧随着方法调用而创建，随着方法结束而销毁——无论方法是正常完成还是异常完成（抛出了在方法内未被捕获的异常）都算作方法结束。

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程序计数器(线程私有)

一块较小的内存空间， 是当前线程所执行的字节码的行号指示器，每条线程都要有一个独立的程序计数器，这类内存也称为“线程私有” 的内存。

正在执行 java 方法的话，计数器记录的是虚拟机字节码指令的地址（当前指令的地址） 。如果还是 Native 方法，则为空。这个内存区域是唯一一个在虚拟机中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

直接内存

直接内存并不是 JVM 运行时数据区的一部分， 但也会被频繁的使用: 在 JDK 1.4 引入的 NIO 提供了基于 Channel 与 Buffer 的 IO 方式， 它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存， 然后使用DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作(详见: Java I/O 扩展)， 这样就避免了在 Java堆和 Native 堆中来回复制数据， 因此在一些场景中可以显著提高性能。

对象的访问定位

Java程序需要通过 JVM 栈上的引用访问堆中的具体对象。对象的访问方式取决于 JVM 虚拟机的实现。目前主流的访问方式有 句柄 和 直接指针 两种方式。

  • **指针：**指向对象，代表一个对象在内存中的起始地址。

  • **句柄：**可以理解为指向指针的指针，维护着对象的指针。句柄不直接指向对象，而是指向对象的指针（句柄不发生变化，指向固定内存地址），再由对象的指针指向对象的真实内存地址。

句柄访问

Java堆中划分出一块内存来作为句柄池，引用中存储对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与对象类型数据各自的具体地址信息，具体构造如下图所示：

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**优势：**引用中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而引用本身不需要修改。

直接指针

如果使用直接指针访问，引用中存储的直接就是对象地址，那么Java堆对象内部的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息。

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**优势：**速度更快，节省了一次指针定位的时间开销。由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是非常可观的执行成本。HotSpot 中采用的就是这种方式。

参考

[[JVM常用参数配置]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/243064867