JVM虚拟机结构

JVM的主要结构如下图所示,图片引用自舒の随想日记

JVM结构

方法区和堆由所有线程共享,其他区域都是线程私有的

程序计数器(Program Counter Register)

类似于PC寄存器,是一块较小的内存区域,通过程序计数器中的值寻找要执行的指令的字节码,由于多线程间切换时要恢复每一个线程的当前执行位置,所以每个线程都有自己的程序计算器。这一个区域不会有OutOfMemeryError。当执行Java方法时,这里存储的执行的指令的地址,如果执行的是本地方法,这里的值是Undefined。

虚拟机栈(Java Stack)

虚拟机栈也是线程私有的,每创建一个线程,虚拟机就会为这个线程创建一个虚拟机栈,虚拟机栈表示Java方法执行的内存模型,每调用一个方法,就会生成一个栈帧(Stack Frame)用于存储方法的本地变量表、操作栈、方法出口等信息,当这个方法执行完后,就会弹出相应的栈帧。

如果请求的栈的深度过大,虚拟机可能会抛出StackOverflowError异常,如果虚拟机的实现中允许虚拟机栈动态扩展,当内存不足以扩展栈的时候,会抛出OutOfMemoryError异常。

栈帧(Stack Frame)

栈帧分为三部分:局部变量区(Local Variables)、操作数栈(Operand Stack)和帧数据区(Frame Data)。

局部变量区(Loca Variables)

局部变量区被组织一个一个从0开始的字数组,byte、short、char在存储前被转换为int,boolean也被转换为int,0表示false,非0表示true,long和double占据两个字长。

操作数栈(Operand Stack)

操作数栈也被组织为一个字数组,但不同于局部变量区,它不是通过数组下标访问的,而是能过栈的Push和Pop操作,前一个操作Push进的数据可以被下一个操作Pop出来使用。

帧数据区(Frame Data)

这部分的作用主要有三部分:

  • 常量池中数据的解析
  • 方法执行完后处理方法返回,恢复调用方现场
  • 方法执行过程中抛出异常时的异常处理,存储有一个异常表,当出现异常时虚拟机查找相应的异常表看是否有对应的Catch语句,如果没有就抛出异常终止这个方法调用

本地方法栈(Native Method Stack)

与虚拟机栈类似,只是是执行本地方法时使用的。

方法区(Method Area)

用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等信息。

方法区是线程间共享的,当两个线程同时需要加载一个类型时,只有一个类会请求ClassLoader加载,另一个线程会等待。

对于每一个加载的类型,会在方法区中保存以下信息:

  • 类及其父类的全限定名(java.lang.Object没有父类)
  • 类的类型(Class or Interface)
  • 访问修饰符(public, abstract, final)
  • 实现的接口的全限定名的列表
  • 常量池
  • 字段信息
  • 方法信息
  • 除常量外的静态变量
  • ClassLoader引用
  • Class引用

对于每一个字段,会在方法区中保存以下信息(字段声明顺序也会保存):

  • 字段名
  • 字段的类型
  • 字段的修饰符(public, private , protected, static, final, volatile, transient)

对于每一个方法,会在方法区中保存以下信息(方法声明顺序也会保存):

  • 方法名
  • 方法返回类型(或void)
  • 参数信息
  • 方法修饰符(public, private, protected , static, final, synchronized, native, abstract)

如果方法不是抽象方法并不是本地方法(Native Method),还会保存以下信息:

  • 方法的字节码
  • 本地变量表及操作数栈的大小
  • 异常表

虚拟机需要存储一些数据,用来快速地访问一个类对象中的方法,一般实现为一个方法表。

方法区中还有一部分是运行时常量池,主要用来存储编译时生成的字面量和符号引用,常量也可以在运行时产生,如String的intern方法。

方法区中也可能存在GC,但虚拟机规范对此不做要求,主要是回收一些常量和卸载一些不用的类型信息,不过要卸载一个类的条件很难达到,而且些处GC其实也回收不了多少内存。

堆(Heap)

虚拟机中用于存放对象与数组实例的地方,垃圾回收的主要区域就是这里(还可能有方法区)。

如果垃圾收集算法采用按代收集(目前大都是这样),这部分还可以细分为新生代和老年代。

新生代又可能分为Eden区,From Survivor区和To Survivor区,主要是为了垃圾回收。所有的线程共享Java堆,在这里还可以划分线程私有的缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)。

Java堆只要求逻辑上是连续的,在物理空间上可以不连续。

直接内存

JDK1.4中引用了NIO,并引用了Channel与Buffer,可以使用Native函数库直接分配堆外内存,并通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。

对象访问

当新建一个对象时,会在堆中为这个对象分配内存,并在栈中有一个对这个对象引用,除此之外,在Java堆中还要能通过这个对象找到它的类型信息(对象类型,父类,实现的接口,包含的字段与方法等)。

Reference在Java虚拟机中定义为指向对象的引用,但没有定义这个Reference应该有怎么实现。

一种实现是Reference直接存储对象在堆内的地址,对象的类型信息可以在对象在堆中的内存布局中存储,如存储在对象内存的开头等。

另一种实现是Reference指向一个句柄表中的一个位置,句柄中保存了对象的实际位置及它对应的类型信息。

使用句柄的好处是当在内存中移动对象的位置时,只需要更新句柄表中的内容,不需要改变引用值,但会多一次内存访问开销,直接引用的优缺点与此相反。



参考资料:

  1. 深入Java虚拟机
  2. 深入理解Java虚拟机-JVM高级特性与最佳实践
  3. 浅析Java虚拟机结构与机制
作者:AngelDevil
出处:http://www.angeldevil.me
原文链接:http://www.angeldevil.me/2014/06/19/jvm/

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