Java虚拟机组成部分及作用

感谢周志明所著的《深入理解Java虚拟机》一书。下面附上了一些我自己的理解。

java虚拟机（JVM）

当我们讨论到它的组成部分的时候，有人可能很多都会说是以栈和堆，但是实际上远远不止这两个部分。

下面我们来讲讲他的组成部分：

JVM分为两个区域：

一、线程私有区域

包含虚拟机栈（通常称为Java栈）、本地方法栈（储存JNI）、程序计数器

1、虚拟机栈

对应的就是认为的堆栈的栈，它生命周期与线程相同，描述的是Java内存执行的内存模型：每一个方法在执行的同时都会创建一个栈帧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，对应着一个栈帧在虚拟机栈种入栈到出栈的过程。

局部变量表中存放了编译器可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、double、long的引用和值，方法中的局部变量，执行完成之后就从栈中移除）、对象引用（reference类型，根据具体虚拟机实现，对应的可能是一个指向对象起始地址的引用指针【直接指针】，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与对象相关的位置【句柄池】）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）

其中64位长度的long和double类型数据会占2个局部变量内存空间（Slot），其他的数据类型占用1个。在进入一个方法的时候，这个方法需要在帧中分配多大的局部空间是完全确定的，在方法运行期间不会发生大小更改。

异常情况：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；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大多虚拟机可动态扩展），如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

2.本地方法栈

原理基本同虚拟机栈相同，区别在于虚拟机栈是为虚拟机执行java方法服务，而本地方法栈是为虚拟机执行Native方法服务

异常也会和虚拟机栈一样，会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError。

3.程序计数器

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。程序计数器负责字节码解释器工作时通过它来选取下一条需要执行的字节码指令，如分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能。

多线程时，每个线程都有一个程序计数器，在线程切换的时候确保能准确正确定位到的执行位置，每个线程单独有一个程序计数器，它们之间互不影响，独立存储。

异常：java虚拟机中唯一一个没有规定OutOfMemoryError异常的区域

二、线程共享区域

包含方法区、堆

1.方法区

各线程共享的区域，方法区存储一杯虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即使编译器遍以后的代码等数据。是堆的一个逻辑部分，别名是Non-Heap（非堆）。

方法区在以前的虚拟机实现中，被列进了永久代中，由于应用的需求越来越大，方法区也跟着成倍的增加，再加上永久代有内存上限的限制，更容易遇到内存溢出问题，这样将方法区放在永久代就有点不合适，所以在jdk1.7中，其中的常量池从方法区中移除，放在了堆里。

异常：当方法区占用过大时，当没有内存可分配时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

（1）运行时常量池

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，还有一项就是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

2.堆

堆中有句柄池和类的实例对象。堆是所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。所有的对象实例和数组都要在堆上分配，随着技术成熟，这种说法也不是那么绝对。

堆是垃圾收集器管理的主要区域，从内存回收角度考虑，由于现在都收集器基本都采用分代收集算法，所以堆被分为新生代和老年代；在细致一点就是 Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

从内存分配角度，堆可能被分出多个线程私有的分配缓冲区。针对这部分主要分析的是内存的分配和回收。

成员变量存储在堆中的对象中，由垃圾回收器负责回收。

异常：如果堆中没有内存可以完成实例分配，并且也无法再扩展时，会抛出OutOfMemoryError异常。

3.直接内存

这不是严格的虚拟机规范中定义的内存区域。但是也会频繁使用，也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

jdk1.4中新增NIO类（New Input/Output），引入了一种基于通道（Channel）与缓存区的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著的提高性能，避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

本机直接内存分配不受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

例

1.A a = new A();

分析：当前代码执行步骤：

（1）先在虚拟机栈中分配a的对象引用

（2）在堆中分配A类的对象实例

（3）将虚拟机栈中a的引用指向堆中分配的内存。

2.String str = “abc”;

分析：当前代码执行步骤

（1）将引用str存储在栈中

（2）在常量池中查找是否有字符串对象“abc”，若没有就在常量池中创建“abc”字符串

（3）将str指向“abc”字符串对象

3.String str = new String(“abc”);

分析：当前代码执行步骤

（1）在虚拟机栈中分配引用str内存

（2）在堆中创建String实例对象

（3）然后在常量池中寻找是否有“abc”字符串对象，没有就创建“abc”字符串对象

（4）将堆实例指向“abc”

（5）将虚拟机栈中str指向堆中的String实例对象

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