深入理解JVM运行原理（一）

一、JVM的运行机制

JVM是用于运行Java字节码的虚拟机，包括一套字节码指令集、一组程序寄存器、一个虚拟机栈、一个虚拟机堆、一个方法区和一个垃圾回收器。JVM运行在操作系统之上，不与硬件设备直接交互。

Java源文件在通过编译器之后被编译成相应的.Class文件，.Class文件又被JVM中的解释器编译成机器码在不同的操作系统（Windows、Linux、Mac）上运行。每种操作系统的解释器都是不同的，但基于解释器实现的虚拟机是相同的，这也是Java能够跨平台的原因。在一个Java进程开始运行后，虚拟机就开始实例化了，有多个进程启动就会实例化多个虚拟机实例。进程退出或者关闭，则虚拟机实例消亡，在多个虚拟机实例之间不能共享数据。

Java程序的具体运行过程如下：
（1）Java源文件被编译器编译成字节码文件。
（2）JVM将字节码文件编译成相应操作系统的机器码。
（3）机器码调用相应操作系统的本地方法库执行相应的方法。

Java虚拟机包括一个类加载器子系统、运行时数据区、执行引擎和本地接口库。本地接口库通过调用本地方法库与操作系统交互，如图所示。

其中：

类加载器子系统用于将编译好的.Class文件加载到JVM中；
运行时数据区用于存储在JVM运行过程中产生的数据，包括程序计数器、方法区、本地方法区、虚拟机栈和虚拟机堆；
执行引擎包括即时编译器和垃圾回收器，即时编译器用于将Java字节码编译成具体的机器码，垃圾回收器用于回收在运行过程中不再使用的对象；
本地接口库用于调用操作系统的本地方法库完成具体的指令操作。

二、多线程

在多核操作系统上，JVM允许在一个进程内同时并发执行多个线程。JVM中的线程与操作系统中的线程是相互对应的，在JVM线程的本地存储、缓冲区分配、同步对象、栈、程序计数器等准备工作都完成时，原生线程随之被回收。操作系统负责调度所有线程，并为其分配CPU时间片，在原生线程初始化完毕时，就会调用Java线程的run()执行该线程；在线程结束时，会释放原生线程和Java线程所对应的资源。

在JVM后台运行的线程主要有以下几个：

虚拟机线程：虚拟机线程在JVM到达安全点时出现。
周期性任务线程：通过定时器调度线程来实现周期性任务的执行。
GC线程：GC线程支持JVM中不同的垃圾回收活动。
编译器线程：编译器线程在运行时将字节码动态编译成本地平台机器码，是JVM跨平台的具体实现。
信号分发线程：接收发送到JVM的信号并调用JVM方法。

三、JVM的内存区域

JVM的内存区域分为线程私有区域（程序计数器、虚拟机栈、本地方法区）、线程共享区域（堆、方法区）和直接内存，如图所示。

线程私有区域的生命周期与线程相同，随线程的启动而创建，随线程的结束而销毁。在JVM内部，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射，因此线程私有内存区域的存在与否和本地线程的启动和销毁对应。

线程共享区域随虚拟机的启动而创建，随虚拟机的关闭而销毁。

直接内存也叫做堆外内存，它并不是JVM运行时数据区的一部分，但在并发编程中被频繁使用。JDK的NIO模块提供的基于Channel与Buffer的I/O操作方式就是基于堆外内存实现的，NIO模块通过调用Native函数库直接在操作系统上分配堆外内存，然后使用DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用对内存进行操作，Java进程可以通过堆外内存技术避免在Java堆和Native堆中来回复制数据带来的资源浪费和性能消耗，因此堆外内存在高并发应用场景下被广泛使用（Netty、Flink、HBase、Hadoop都有用到堆外内存）。