Java虚拟机系列一：一文搞懂 JVM 架构和运行时数据区
前言
之前写博客一直比较随性，主题也很随意，就是想到什么写什么，对什么感兴趣就写什么。虽然写起来无拘无束，自在随意，但也带来了一些问题，每次写完一篇后就要去纠结下一篇到底写什么，看来选择太多也不是好事儿，更重要的是不成体系的内容对读者也不够友好。所以以后的博客尽量按系列来写，不过偶尔也会穿插其他的内容。接下来一段时间我会把写博客的重点放在 JVM (Java Virtual Machine) 和 JUC (java util concurrent ) 上，对 Java 虚拟机和 Java 并发编程进行一系列的介绍，欢迎关注。
了解 JVM 是对 Java 开发人员的基本要求，JVM 的相关内容自然也成了现在 Java 程序员面试的重要考点。不过估计很多小伙伴和我一样，长时间醉心于 CRUD，却忘了去了解一下更底层、更基础的东西，殊不知这些才是决定你能在这条路上走多远的关键因素，那接下来我们就一起来深入学习一下看似神秘的 JVM 吧。JVM 总体来看内容还是很多的，我会把最重要的内容介绍给大家，不过如果你有时间和精力的话，还是推荐你去看一下《深入理解Java虚拟机》这本书，确实是有口皆碑。本系列文章也会引用很多此书的内容并加上我自己的理解，如果你坚持看下去的话，相信会有很大的收获。
首先对 JVM 做个简单的介绍，JVM 是 JDK 的一部分，《Java 虚拟机规范》(The Java Virtual Machine Specification) 是平行于《Java 语言规范》(The Java Language Specification)的一套独立的规范，不同的公司对其有不同的实现 (类似于一个接口被不同的类实现)，比较著名的 Java 虚拟机实现版本有 HotSpot、JRockit 和 J9 等。
本文分为两大部分，将分别为大家介绍 JVM 的整体架构和运行时数据区，这两部分的依据均是《Java 虚拟机规范》，而不针对任何特定的 JVM 具体实现版本。
一、Java 虚拟机架构 (JVM Architecture)
在我看来，不管学习什么样的知识或技术，首先要做的就是从全局上去认识它，这样才能避免盲人摸象，事倍功半的情况发生。既然要学习 JVM，就要先了解它的整体架构，于是我画了个 JVM 架构图来帮助大家认识它。
Java 虚拟机架构图
对 JVM 还不太了解的同学第一次看到这张花里胡哨的图肯定会一脸懵逼，不用怕，其实我们只需要重点理解并掌握其中一部分 (同时也是面试重点) 就好了，比如运行时数据区、垃圾收集器、内存分配策略和类加载机制等，类文件结构也可以学习一下，其他的稍作了解即可。既然本篇文章是要带领大家认识 JVM 架构的，那就先把图中各个部分都介绍一下吧 (注：本文只做介绍，让各位先对 JVM 有个整体的认识，本系列后续文章会做深入探讨)。
1.1 Class 文件 (字节码文件)
Java 之所以号称“一次编写，处处运行”，就是得益于虚拟机和 Class 文件 (注：CLass 文件、字节码文件和类文件是一个意思) 的组合机制。程序员并不需要自己去适配不同的操作系统，大家都知道我们平时编写的 java 代码在编译成 Class 文件后才能执行，而 Class 文件可以在任何操作系统上的 JVM 上执行，这样就做到了“平台无关性”。下面是一个最简单的 HelloWorld 程序及其对应的 Class 文件。
HelloWorld 程序及其编译后的 Class 文件
得益于 Class 文件，JVM 还可以做到“语言无关性”，也就是说不只有 Java 程序可以运行于 JVM 之上，很多其他语言例如最近在安卓开发者中大火的 Kotlin 语言，还有 Scala、Groovy 等语言也都是基于 JVM 平台的，这些语言的代码都可以编译成 Class 文件，然后在 JVM 上运行。
JVM提供的平台无关性和语言无关性
1.2 类加载器子系统 (ClassLoader Subsystem)
要执行 Class 文件就需要先将其加载进内存，这一工作正是由类加载器 (ClassLoader) 完成的，系统为我们提供了三种类加载器，分别是启动类加载器 (Bootstrap ClassLoader)、扩展类加载器 (Extension ClassLoader) 和应用程序类加载器 (Application ClassLoader)，如果有必要，我们也可以加入自定义的类加载器。类加载过程如下：
类加载过程
类加载过程分为加载、连接和初始化三个阶段，其中的连接阶段又分为验证、准备和解析三个阶段 (详细的类加载机制在后续文章中进行介绍)。
1.3 Java 虚拟机运行时数据区 (JVM Runtime Data Area)
这部分内容较多，放在本文第二部分单独进行介绍。
1.4 执行引擎 (Execution Engine)
字节码被加载进运行时数据区后，执行引擎会进行读取并执行，执行引擎主要包含以下模块：
- 解释器 (Interpreter)：相信大家很久以前就听过“计算机只认识0和1”这句话，时至今日，计算机依然只认识0和1，所以任何编程语言的代码最终都要转化成机器码 (二进制代码)才能执行，Java 也不例外，而解释器的工作正是将编译得到的字节码再转化成机器码，然后才能执行。正因为如此，Java 才被称为解释型语言，也正是因为边解释边执行的特点，Java 程序在执行时才会慢于 C++ 之类的编译型语言。
- 即时编译器 (JIT Compiler，just-in-time compiler)：即时编译器百度百科，为了弥补解释执行带来的速度劣势，JVM 引入了即时编译器，它的作用就是把热点代码，比如重复调用的方法和循环代码等，编译成机器码并存放在 code cache 中，这样之后再用到这些代码就不用重新解释执行了，可以提高程序运行效率。
- 垃圾收集器 (Garbage Collector)：Java 程序员可以不用手动释放内存，全是垃圾收集器的功劳，这也是 JVM 中尤其重要的内容，后续会有多篇文章对其进行介绍。
1.5 本地库接口 (JNI，Java Native Interface)
如果你经常看 JDK 源码的话，一定会注意到 native 这个关键词，被它修饰的方法是没有方法体的，是因为它调用了计算机本地的方法库 (通常是 C 或 C++ 代码)。JDK 源码中有很多类的方法，特别是一些需要操作计算机硬件的方法，都调用了本地方法库，毕竟与硬件打交道还是用 C 和 C++ 更方便，比如下面这些方法：
// 例一：这是 Thread 类中的 currentThread 方法，用于获取当前正在执行的线程
public static native Thread currentThread();
// 例二：这是 FileInputStream 类中 open0 方法，用于打开指定文件
private native void open0(String name) throws FileNotFoundException;1.6 本地方法库 (Native Method Library)
本地库接口所调用的对象正是位于这个库中，一般是位于计算机本地的 C 或 C++ 语言代码。
二、Java 虚拟机运行时数据区
Java 虚拟机运行时数据区是我们需要重点了解并熟悉的部分，因为这与我们写的程序息息相关，平时常见的 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 也几乎都是来自这个区域。说“几乎”是因为当本机直接内存不够用时也会抛出 OutOfMemoryError。如下图所示，程序计数器、Java 虚拟机栈和本地方法栈是线程私有的，堆和方法区是线程共享的，其中方法区又包含了运行时常量池。下面就对这个部分做个详细的介绍吧 (注：本部分引用内容来自《深入理解Java虚拟机》)。
Java 虚拟机运行时数据区
2.1 程序计数器 (Program Counter Register)
怕有些小伙伴不清楚，提示一下：下面这样的段落格式就是 Markdown 里的引用格式，，一般用于引用他人的文章或别处的内容。
程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念里，字节码解释器工作时就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，它是程序控制流的指示器，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。
由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是本地 (Native) 方法，这个计数器值则应为空 (Undefined)。此内存区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。
这里引用了《深入理解Java虚拟机》书中的内容，其实不难理解，程序计数器的作用就是保存线程的执行状态，引用部分的第三段中说“如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址”，这个地址就是字节码执行到的位置。我们平时说的 Java 多线程上下文切换就需要程序计数器的辅助，当 CPU 从一个线程切换到另一个线程时，要从程序计数器中读取线程执行状态从而恢复现场。后面又说“如果执行的是本地 (Native)方法，这个计数器值为空(Undefined)”，这是为何呢？是因为本地方法执行的是 C / C++ 代码，在原生平台直接运行，也就不存在 Java 虚拟机的概念，自然也无法保存字节码指令地址，此时要想记录代码运行状态的话，只能使用原生 CPU 的 PC 寄存器。
2.2 Java 虚拟机栈 (JVM Stacks)
与程序计数器一样，Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的线程内存模型:每个方法被执行的时候，Java 虚拟机都 会同步创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、 float、long、double)、对象引用 (reference 类型，它并不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置) 和 returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址)。
这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽 (Slot) 来表示，其中64位长度的 long 和 double 类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。请读者注意，这里说的“大小”是指变量槽的数量，虚拟机真正使用多大的内存空间 (譬如按照1个变量槽占用32个比特、64个比特，或者更多)来实现一个变量槽，这是完全由具体的虚拟机实现自行决定的事情。
在《Java虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出 StackOverflowError 异常；如果 Java 虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出 OutOfMemoryError 异常。
Java 虚拟机栈的内部结构如下图所示：
Java 虚拟机栈
2.2.1 局部变量表
局部变量表是存放方法参数和局部变量的区域。 局部变量没有准备阶段， 必须显式初始化。如果是非静态方法，则在 index[0] 位置上存储的是方法所属对象的实例引用，一个引用变量占 4 个字节，随后存储的是参数和局部变量。
2.2.2 操作数栈
操作数栈是个初始状态为空的桶式结构栈。在方法执行过程中， 会有各种指令往栈中写入和提取信息。JVM 的执行引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。字节码指令集的定义都是基于栈类型的，栈的深度在方法元信息的 stack 属性中。下面使用 i++ 和 ++i 的区别来帮助理解操作数栈：
i++ 和 ++i 的区别：
- i++：从局部变量表取出 i 并压入操作栈，然后对局部变量表中的 i 自增 1，将操作栈栈顶值取出使用，最后，使用栈顶值更新局部变量表，如此线程从操作栈读到的是自增之前的值。
- ++i：先对局部变量表的 i 自增 1，然后取出并压入操作栈，再将操作栈栈顶值取出使用，最后，使用栈顶值更新局部变量表，线程从操作栈读到的是自增之后的值。
之所以说 i++ 不是原子操作，即使使用 volatile 修饰也不是线程安全，就是因为，可能 i 被从局部变量表（内存）取出，压入操作栈（寄存器），操作栈中自增，使用栈顶值更新局部变量表（寄存器更新写入内存），其中分为 3 步，volatile 保证可见性，保证每次从局部变量表读取的都是最新的值，但可能这 3 步可能被另一个线程的 3 步打断，产生数据互相覆盖问题，从而导致 i 的值比预期的小。
2.2.3 动态连接
每个栈帧中包含一个在常量池中对当前方法的引用， 目的是支持方法调用过程的动态连接。
2.2.4 方法出口
方法执行时有两种退出情况：
- 正常退出，即正常执行到任何方法的返回字节码指令，如 RETURN、IRETURN、ARETURN 等；
- 异常退出。
无论何种退出情况，都将返回至方法当前被调用的位置。方法退出的过程相当于弹出当前栈帧，退出可能有三种方式：
- 返回值压入上层调用栈帧。
- 异常信息抛给能够处理的栈帧。
- 程序计数器指向方法调用后的下一条指令。
2.3 本地方法栈 (Native Method Stacks)
本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法 (也就是字节码)服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地 (Native) 方法服务。
《Java虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规定，因此具体的虚拟机可以根据需要自由实现它，甚至有的Java虚拟机 (譬如Hot-Spot虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失 败时分别抛出 StackOverflowError 和OutOfMemoryError 异常。
这部分比较好理解，就不做解析了。
2.4 Java 堆 (Heap)
对于Java应用程序来说，Java 堆 (Java Heap)是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java 堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java 世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。Java 堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此也常被称为“GC 堆”。
根据《Java虚拟机规范》的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的，这点就像我们用磁盘空间去存储文件一样，并不要求每个文件都连续存放。但对于大 对象(典型的如数组对象)，多数虚拟机实现出于实现简单、存储高效的考虑，很可能会要求连续的内存空间。
Java 堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过参数-Xmx和-Xms设定)。如果在 Java 堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java 虚拟机将会抛出 OutOfMemoryError 异常。
Java 堆的唯一作用就是存放对象实例，这也是垃圾收集器最关注的内存区域，因为大多数对象实例的存活时间都很短，比如在方法内部创建的实例在方法执行完之后就没有存在价值了，所以这个区域的垃圾回收性价比最高。关于垃圾回收的详细内容，见后续文章。
2.5 方法区 (Method Area)
方法区 (Method Area)与 Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载 的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。虽然《Java虚拟机规范》中把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫作“非堆”(Non-Heap)，目的是与 Java 堆区分开来。
说到方法区，不得不提一下“永久代”这个概念，尤其是在JDK 8以前，许多 Java 程序员都习惯在 HotSpot 虚拟机上开发、部署程序，很多人都更愿意把方法区称呼为“永久代”(Permanent Generation)，或将两者混为一谈。本质上这两者并不是等价的，因为仅仅是当时的 HotSpot 虚拟机设计团队选择把收集器的分代设计扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样使得 HotSpot的垃圾收集器能够像管理Java堆一样管理这部分内存，省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。但是对于其他虚拟机实现，譬如 BEA JRockit、IBM J9 等来说，是不存在永久代的概念的。原则上如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受《Java虚拟机规范》管束，并不要求统一。但现在回头来看，当年使用永久代来实现方法区的决定并不是一个好主意，这种设计导致了 Java 应用更容易遇到 内存溢出的问题(永久代有-XX:M axPermSize 的上限，即使不设置也有默认大小，而 J9 和 JRockit 只要没有触碰到进程可用内存的上限，例如32位系统中的4GB限制，就不会出问题 )，而且有极少数方法 (例如 String :: intern() ) 会因永久代的原因而导致不同虚拟机下有不同的表现。当 Oracle 收购 BEA 获得了 JRockit 的所有权后，准备把 JRockit 中的优秀功能，譬如 Java Mission Control 管理工具，移植到 HotSpot 虚拟机时，但因为两者对方法区实现的差异而面临诸多困难。考虑到 HotSpot 未来的发展，在 JDK 6 的 时候 HotSpot 开发团队就有放弃永久代，逐步改为采用本地内存 (Native Memory) 来实现方法区的计划了，到了JDK 7 的 HotSpot，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出，而到了 JDK 8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与 JRockit、J9 一样在本地内存中实现的元空间(Metaspace)来代替，把JDK 7中永久代还剩余的内容(主要是类型信息)全部移到元空间中。
《Java虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的，除了和 Java 堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，甚至还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域的确是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。
根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError 异常。
这部分引用内容对方法区的介绍十分全面，切记不要将方法区和永久代混为一谈，从JDK 8 以后已经没有永久代的概念了。
2.6 运行时常量池 (Runtime Constant Pool)
运行时常量池 (Runtime Constant Pool) 是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表 (Constant Pool Table)，用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。
既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存 时会抛出OutOfMemoryError异常。
常量池是为了避免频繁的创建和销毁对象而影响系统性能，其实现了对象的共享。
总结
本文作为 Java 虚拟机系列的第一篇文章，为大家介绍了 Java 虚拟机的整体架构和运行时数据区，相信大家对 JVM 已经有了整体的认识。但这还远远不够，JVM 还有更多而内容和细节等着我们去探索，后续文章敬请期待。
最后是参考文章和文献：
- 周志明《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》(强烈推荐)
- Java虚拟机规范
- Java内存区域（运行时数据区域）和内存模型（JMM
- Architecture of JVM Java Virtual Machine
- 编译型与解释型的区别
- JVM总括三-字节码、字节码指令、JIT编译执行
- 彻底弄懂java中的常量池