Java：JVM基础

参考

JavaGuide

JVM内存区域

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器，各线程之间计数器互不影响。
程序计数器是唯一一个不会出现OutOfMemoryError的内存区域，它的生命周期与线程同步。

虚拟机栈

除了一些Native方法调用通过本地方法栈实现，其他所有的Java方法调用都是通过栈来实现的，每一次方法调用都会入栈，每一个方法返回都会出栈，每个方法对应一个栈帧，栈帧内部结构如下：

• 局部变量表：存放了编译时可知的各种数据类型和对象引用。
• 操作数栈：主要作为方法调用的中转站，用于存放方法执行过程中产生的中间计算结果和临时变量。
• 动态链接：当一个方法要调用其他方法时，需要将符号引用转换为调用方法的直接引用，即动态链接。
• 方法返回：一种是随return语句正常返回，一种是抛出异常，两种都会导致栈帧被弹出，方法结束。

本地方法栈

类似于虚拟机栈，虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（字节码）服务，本地方法栈为虚拟机使用的Native方法服务，在HotSpot虚拟机中，两栈合二为一。
Native方法被执行时在本地方法栈也会创建栈帧，结构同上。

堆

堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，是所有线程共享的一块内存区域，唯一作用是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。

但随着JIT编译器的发展产生了逃逸分析技术，如果某些方法中的对象引用没有被返回或者未被外面使用，那么对象可以直接在栈上分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，在JDK7及之前，堆从垃圾回收的角度被划分为新生代、老年代和永久代；在JDK8之后永久代被元空间取代，元空间使用本地内存。

方法区

方法区是一种设计规范，属于JVM运行时数据区域的一块逻辑区域，是各个线程共享的内存区域，当虚拟机要使用一个类时，它需要读取并解析Class文件获取相关信息，再将信息存入方法区，主要是类信息、字段信息（成员变量）、方法信息、常量、静态变量等。

永久代和元空间是实现方法区的两种方式，弃用永久代的主要原因是： 整个永久代有一个JVM本身设定的固定上限，不能调整，而元空间放在本地内存，不容易溢出。

符号引用与直接引用

符号引用以一组符号来描述所引用的目标，可以是任何形式的字面量，比如类和接口的全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符等，在编译期或者运行期间生成，不依赖于具体的内存地址，而是在运行时根据上下文信息去定位目标。

直接引用时一种直接指向目标的内存地址或者偏移量，与内存地址直接相关，如指向对象实例的指针、指向类的变量的指针等。

在程序运行时需要通过符号引用来找到对应的直接引用，这个过程称为解析，他是Java虚拟机执行引擎的一部分。

使用两种引用的原因：

• 动态链接：符号引用提供了一种在编译期间和运行期间都能定位目标的方法，使得Java能实现动态链接，即在运行时才确定最终目标。
• 运行时多态：符号引用提供了一种描述方法的方式，同上。
• 内存管理：使虚拟机更灵活地进行内存管理，如动态加载和卸载类。
• 平台无关性：不需要针对不同平台进行特定的编译或链接。

运行时常量池

常量池表，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，类似符号表。

字面量是源代码中的固定值，包括整数、浮点数和字符串字面量。
符号引用包括类符号引用、字段符号引用、方法符号引用、接口方法符号等。

字符串常量池

字符串常量池是JVM为了提升性能和减少内存消耗针对字符串专门开辟的一块区域，主要是为了避免重复创建字符串。

JDK1.7将字符串常量池移动到堆中，因为永久代垃圾回收效率太低，只有在整堆收集的时候才会被执行，而大量字符串通常是需要被及时回收的，因此移动到堆中。

直接内存

直接内存是一种特殊的内存缓冲区，通过JNI的方式在本地内存中分配。
CSDN

Hotspot虚拟机对象

创建过程

1. 类加载检查：虚拟机执行到一条new指令时，首先检查这个指令的参数能否再常量池中定位到这个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过，如没有则先加载。
2. 分配内存：对象所需内存的大小在类加载时确定，内存分配方式有指针碰撞和空闲列表两种。

• 指针列表：已分配的内存放一边，未分配的内存放一边，中间有一个分界指针，只需移动指针即可完成分配。Serial和ParNew两种GC收集器使用该种方式。
• 空闲列表：维护一个列表记录哪些内存块是可用的，分配的时候找一块分配并更新列表。CMS使用该种方式。

内存分配时需要考虑线程安全问题，通常采用两种方式保证线程安全：

• CAS+失败重试：CAS是乐观锁的一种实现方式，每次先不加锁，而是假设没有冲突去尝试操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。
• TLAB：为每一个线程预先在Eden区分配一块内存，JVM在给线程中的对象分配内存时，首先在TLAB分配，当对象不能以TLAB方式分配时再采用CAS方式。

3. 初始化零值：分配内存完成后将除对象头之外的内存空间都初始化为零值，这保证了对象的实例字段不赋初值即可直接使用。
4. 设置对象头：对对象进行必要的设置，如这个对象是哪个类的实例，如何找到类的元数据信息、对象的哈希码、GC分代年龄等信息。
5. 执行init方法：把对象按照程序员的意愿进行初始化。

虚拟机对象的内存布局

• 对象头：包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据（如哈希码、GC分代年龄等），另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，通过这个指针确定这个对象是哪个类的实例。
• 实例数据：真正存储的有效数据，如程序中所定义的各种类型的字段内容。
• 对齐填充部分：填充整个对象的大小为8字节的整数倍。

对象访问

对象访问的方式由虚拟机具体实现而定，目前主流的是使用句柄和直接指针两种。

句柄方式如下：堆中划分一块内存作为句柄池，线程栈帧的局部变量表中存储的reference是对象的句柄地址，句柄中又包含了对象实例数据和对象类型数据各自具体的地址信息。
这种方式的优点在于对象被移动时只改变句柄中的信息，而reference本身不需修改。

直接指针访问方式如下：reference中存储的就是对象地址，这种方法节省了一次指针定位的开销。HotSpot虚拟机采用这种方式。

class文件

class文件即字节码，是面向JVM的文件，在一定程度上解决了传统解释型语言执行效率低的问题，同时又保留了解释型语言可移植的特点。

结构

ClassFile {
    u4             magic; //Class 文件的标志
    u2             minor_version;//Class 的小版本号
    u2             major_version;//Class 的大版本号
    u2             constant_pool_count;//常量池的数量
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];//常量池
    u2             access_flags;//Class 的访问标记
    u2             this_class;//当前类
    u2             super_class;//父类
    u2             interfaces_count;//接口数量
    u2             interfaces[interfaces_count];//一个类可以实现多个接口
    u2             fields_count;//字段数量
    field_info     fields[fields_count];//一个类可以有多个字段
    u2             methods_count;//方法数量
    method_info    methods[methods_count];//一个类可以有个多个方法
    u2             attributes_count;//此类的属性表中的属性数
    attribute_info attributes[attributes_count];//属性表集合
}
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各组件说明如下：

• magic：0xCAFEBABE，标志此文件为一个class文件。
• Minor & Major Version：java主、次版本号。
• Constant Pool：主要存放字面量和符号引用两种常量，常量池打大小是constant_pool_count-1，计数器从1开始，索引值为0代表不引用任何常量池项。常量池中每一项都代表一个常量。
• Access Flags：访问标志，识别一些类或接口的访问信息，如：是类还是接口、是否为public或abstract类型等。
• This Class、Super Class、Interfaces：确定类名、继承关系（Object类没有父类）以及实现了哪些接口（如果是接口则为被哪些类实现）。
• Field：包含字段作用域（public、private、protected）是否static、是否final等，还有字段名称、描述符、额外属性等。
• Methods：基本同字段作用域类似。
• Attributes：用于描述某些场景专用的信息。

类加载过程

共有：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载7个阶段，其中，验证、准备、解析统称为链接阶段。

加载

加载时需要完成以下三件事

• 通过全类名获取定义此类的二进制字节流。
• 将字节流代表的静态存储结构转换为运行时方法区的数据结构。
• 在内存中生成一个代表该类的class对象，作为这些数据的访问入口。

验证

确保Class文件的字节流中包含的信息符合约束要求，不会危害虚拟机安全，主要包括：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

准备

准备阶段是正式为静态变量分配内存并设置初始值的阶段，都在方法区中分配。

解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用限定符7类符号引用进行。

每个类都有一张方法表存放所有的方法地址，当需要调用时只需根据方法表即可直接调用，也就是将符号引用替换为直接引用。

初始化

初始化阶段是执行()方法的过程，这一步开始才真正开始执行程序的字节码。

使用

卸载

卸载类即该类的Class对象被GC。需要满足三个要求才可卸载：

• 该类在堆中的所有实例对象已被GC。
• 该类没有被引用。
• 该类的类加载器实例已被GC。

在JVM生命周期内，JVM自带的类加载器加载的类不会被卸载，可以自定义类加载器并进行类卸载。