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這篇文章解釋了Java 虛擬機(jī)（JVM）的內(nèi)部架構(gòu)。下圖顯示了遵守 Java SE 7 規(guī)范的典型的 JVM 核心內(nèi)部組件。
上圖顯示的組件分兩個(gè)章節(jié)解釋。第一章討論針對每個(gè)線程創(chuàng)建的組件，第二章節(jié)討論了線程無關(guān)組件。
線程這里所說的線程指程序執(zhí)行過程中的一個(gè)線程實(shí)體。JVM 允許一個(gè)應(yīng)用并發(fā)執(zhí)行多個(gè)線程。Hotspot JVM 中的 Java 線程與原生操作系統(tǒng)線程有直接的映射關(guān)系。當(dāng)線程本地存儲、緩沖區(qū)分配、同步對象、棧、程序計(jì)數(shù)器等準(zhǔn)備好以后，就會創(chuàng)建一個(gè)操作系統(tǒng)原生線程。Java 線程結(jié)束，原生線程隨之被回收。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度所有線程，并把它們分配到任何可用的 CPU 上。當(dāng)原生線程初始化完畢，就會調(diào)用 Java 線程的 run() 方法。run() 返回時(shí)，被處理未捕獲異常，原生線程將確認(rèn)由于它的結(jié)束是否要終止 JVM 進(jìn)程（比如這個(gè)線程是最后一個(gè)非守護(hù)線程）。當(dāng)線程結(jié)束時(shí)，會釋放原生線程和 Java 線程的所有資源。 JVM 系統(tǒng)線程如果使用 jconsole 或者其它調(diào)試器，你會看到很多線程在后臺運(yùn)行。這些后臺線程與觸發(fā) public static void main(String[]) 函數(shù)的主線程以及主線程創(chuàng)建的其他線程一起運(yùn)行。Hotspot JVM 后臺運(yùn)行的系統(tǒng)線程主要有下面幾個(gè)：
線程相關(guān)組件每個(gè)運(yùn)行的線程都包含下面這些組件： 程序計(jì)數(shù)器（PC）PC 指當(dāng)前指令（或操作碼）的地址，本地指令除外。如果當(dāng)前方法是 native 方法，那么PC 的值為 undefined。所有的 CPU 都有一個(gè) PC，典型狀態(tài)下，每執(zhí)行一條指令 PC 都會自增，因此 PC 存儲了指向下一條要被執(zhí)行的指令地址。JVM 用 PC 來跟蹤指令執(zhí)行的位置，PC 將實(shí)際上是指向方法區(qū)（Method Area）的一個(gè)內(nèi)存地址。 棧（Stack）每個(gè)線程擁有自己的棧，棧包含每個(gè)方法執(zhí)行的棧幀。棧是一個(gè)后進(jìn)先出（LIFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)前執(zhí)行的方法在棧的頂部。每次方法調(diào)用時(shí)，一個(gè)新的棧幀創(chuàng)建并壓棧到棧頂。當(dāng)方法正常返回或拋出未捕獲的異常時(shí)，棧幀就會出棧。除了棧幀的壓棧和出棧，棧不能被直接操作。所以可以在堆上分配棧幀，并且不需要連續(xù)內(nèi)存。 Native棧并非所有的 JVM 實(shí)現(xiàn)都支持本地（native）方法，那些提供支持的 JVM 一般都會為每個(gè)線程創(chuàng)建本地方法棧。如果 JVM 用 C-linkage 模型實(shí)現(xiàn) JNI（Java Native Invocation），那么本地棧就是一個(gè) C 的棧。在這種情況下，本地方法棧的參數(shù)順序、返回值和典型的 C 程序相同。本地方法一般來說可以（依賴 JVM 的實(shí)現(xiàn)）反過來調(diào)用 JVM 中的 Java 方法。這種 native 方法調(diào)用 Java 會發(fā)生在棧（一般是 Java 棧）上；線程將離開本地方法棧，并在 Java 棧上開辟一個(gè)新的棧幀。 棧的限制?？梢允莿討B(tài)分配也可以固定大小。如果線程請求一個(gè)超過允許范圍的空間，就會拋出一個(gè)StackOverflowError。如果線程需要一個(gè)新的棧幀，但是沒有足夠的內(nèi)存可以分配，就會拋出一個(gè) OutOfMemoryError。 棧幀（Frame）每次方法調(diào)用都會新建一個(gè)新的棧幀并把它壓棧到棧頂。當(dāng)方法正常返回或者調(diào)用過程中拋出未捕獲的異常時(shí)，棧幀將出棧。更多關(guān)于異常處理的細(xì)節(jié)，可以參考下面的異常信息表章節(jié)。 每個(gè)棧幀包含：
局部變量數(shù)組局部變量數(shù)組包含了方法執(zhí)行過程中的所有變量，包括 this 引用、所有方法參數(shù)、其他局部變量。對于類方法（也就是靜態(tài)方法），方法參數(shù)從下標(biāo) 0 開始，對于對象方法，位置0保留為 this。 有下面這些局部變量：
除了 long 和 double 類型以外，所有的變量類型都占用局部變量數(shù)組的一個(gè)位置。long 和 double 需要占用局部變量數(shù)組兩個(gè)連續(xù)的位置，因?yàn)樗鼈兪?64 位雙精度，其它類型都是 32 位單精度。 操作數(shù)棧操作數(shù)棧在執(zhí)行字節(jié)碼指令過程中被用到，這種方式類似于原生 CPU 寄存器。大部分 JVM 字節(jié)碼把時(shí)間花費(fèi)在操作數(shù)棧的操作上：入棧、出棧、復(fù)制、交換、產(chǎn)生消費(fèi)變量的操作。因此，局部變量數(shù)組和操作數(shù)棧之間的交換變量指令操作通過字節(jié)碼頻繁執(zhí)行。比如，一個(gè)簡單的變量初始化語句將產(chǎn)生兩條跟操作數(shù)棧交互的字節(jié)碼。 int i; 被編譯成下面的字節(jié)碼： 0: iconst_0 // Push 0 to top of the operand stack1: istore_1 // Pop value from top of operand stack and store as local variable 1 更多關(guān)于局部變量數(shù)組、操作數(shù)棧和運(yùn)行時(shí)常量池之間交互的詳細(xì)信息，可以在類文件結(jié)構(gòu)部分找到。 動態(tài)鏈接每個(gè)棧幀都有一個(gè)運(yùn)行時(shí)常量池的引用。這個(gè)引用指向棧幀當(dāng)前運(yùn)行方法所在類的常量池。通過這個(gè)引用支持動態(tài)鏈接（dynamic linking）。 C/C++ 代碼一般被編譯成對象文件，然后多個(gè)對象文件被鏈接到一起產(chǎn)生可執(zhí)行文件或者 dll。在鏈接階段，每個(gè)對象文件的符號引用被替換成了最終執(zhí)行文件的相對偏移內(nèi)存地址。在 Java中，鏈接階段是運(yùn)行時(shí)動態(tài)完成的。 當(dāng) Java 類文件編譯時(shí)，所有變量和方法的引用都被當(dāng)做符號引用存儲在這個(gè)類的常量池中。符號引用是一個(gè)邏輯引用，實(shí)際上并不指向物理內(nèi)存地址。JVM 可以選擇符號引用解析的時(shí)機(jī)，一種是當(dāng)類文件加載并校驗(yàn)通過后，這種解析方式被稱為饑餓方式。另外一種是符號引用在第一次使用的時(shí)候被解析，這種解析方式稱為惰性方式。無論如何 ，JVM 必須要在第一次使用符號引用時(shí)完成解析并拋出可能發(fā)生的解析錯誤。綁定是將對象域、方法、類的符號引用替換為直接引用的過程。綁定只會發(fā)生一次。一旦綁定，符號引用會被完全替換。如果一個(gè)類的符號引用還沒有被解析，那么就會載入這個(gè)類。每個(gè)直接引用都被存儲為相對于存儲結(jié)構(gòu)（與運(yùn)行時(shí)變量或方法的位置相關(guān)聯(lián)的）偏移量。 線程間共享堆堆被用來在運(yùn)行時(shí)分配類實(shí)例、數(shù)組。不能在棧上存儲數(shù)組和對象。因?yàn)闂辉O(shè)計(jì)為創(chuàng)建以后無法調(diào)整大小。棧幀只存儲指向堆中對象或數(shù)組的引用。與局部變量數(shù)組（每個(gè)棧幀中的）中的原始類型和引用類型不同，對象總是存儲在堆上以便在方法結(jié)束時(shí)不會被移除。對象只能由垃圾回收器移除。 為了支持垃圾回收機(jī)制，堆被分為了下面三個(gè)區(qū)域：
內(nèi)存管理對象和數(shù)組永遠(yuǎn)不會顯式回收，而是由垃圾回收器自動回收。通常，過程是這樣的：
非堆內(nèi)存非堆內(nèi)存指的是那些邏輯上屬于 JVM 一部分對象，但實(shí)際上不在堆上創(chuàng)建。 非堆內(nèi)存包括：
即時(shí)編譯（JIT）Java 字節(jié)碼是解釋執(zhí)行的，但是沒有直接在 JVM 宿主執(zhí)行原生代碼快。為了提高性能，Oracle Hotspot 虛擬機(jī)會找到執(zhí)行最頻繁的字節(jié)碼片段并把它們編譯成原生機(jī)器碼。編譯出的原生機(jī)器碼被存儲在非堆內(nèi)存的代碼緩存中。通過這種方法，Hotspot 虛擬機(jī)將權(quán)衡下面兩種時(shí)間消耗：將字節(jié)碼編譯成本地代碼需要的額外時(shí)間和解釋執(zhí)行字節(jié)碼消耗更多的時(shí)間。 方法區(qū)方法區(qū)存儲了每個(gè)類的信息，比如：
所有線程共享同一個(gè)方法區(qū)，因此訪問方法區(qū)數(shù)據(jù)的和動態(tài)鏈接的進(jìn)程必須線程安全。如果兩個(gè)線程試圖訪問一個(gè)還未加載的類的字段或方法，必須只加載一次，而且兩個(gè)線程必須等它加載完畢才能繼續(xù)執(zhí)行。 類文件結(jié)構(gòu)一個(gè)編譯后的類文件包含下面的結(jié)構(gòu)： ClassFile { u4 magic; u2 minor_version; u2 major_version; u2 constant_pool_count; cp_info contant_pool[constant_pool_count – 1]; u2 access_flags; u2 this_class; u2 super_class; u2 interfaces_count; u2 interfaces[interfaces_count]; u2 fields_count; field_info fields[fields_count]; u2 methods_count; method_info methods[methods_count]; u2 attributes_count; attribute_info attributes[attributes_count];}
可以用 javap 查看編譯后的 Java Class 文件字節(jié)碼。 如果你編譯下面這個(gè)簡單的類： package org.jvminternals;public class SimpleClass { public void sayHello() { System.out.println('Hello'); }} 運(yùn)行下面的命令，就可以得到下面的結(jié)果輸出： javap -v -p -s -sysinfo -constants classes/org/jvminternals/SimpleClass.class。 public class org.jvminternals.SimpleClass SourceFile: 'SimpleClass.java' minor version: 0 major version: 51 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPERConstant pool: #1 = Methodref #6.#17 // java/lang/Object.' 這個(gè) class 文件展示了三個(gè)主要部分：常量池、構(gòu)造器方法和 sayHello 方法。
這個(gè) class 文件用到下面這些字節(jié)碼操作符：
跟任何典型的字節(jié)碼一樣，操作數(shù)與局部變量、操作數(shù)棧、運(yùn)行時(shí)常量池的主要交互如下所示。 構(gòu)造器函數(shù)包含兩個(gè)指令。首先，this 變量被壓棧到操作數(shù)棧，然后父類的構(gòu)造器函數(shù)被調(diào)用，而這個(gè)構(gòu)造器會消費(fèi) this，之后 this 被彈出操作數(shù)棧。
sayHello() 方法更加復(fù)雜，正如之前解釋的那樣，因?yàn)樗枰眠\(yùn)行時(shí)常量池中的指向符號引用的真實(shí)引用。第一個(gè)操作碼 getstatic 從System類中將out靜態(tài)變量壓到操作數(shù)棧。下一個(gè)操作碼 ldc 把字符串 “Hello” 壓棧到操作數(shù)棧。最后 invokevirtual 操作符會調(diào)用 System.out 變量的 println 方法，從操作數(shù)棧作彈出”Hello” 變量作為 println 的一個(gè)參數(shù)，并在當(dāng)前線程開辟一個(gè)新棧幀。
類加載器JVM 啟動時(shí)會用 Bootstrap 類加載器加載一個(gè)初始化類，然后這個(gè)類會在public static void main(String[])調(diào)用之前完成鏈接和初始化。執(zhí)行這個(gè)方法會執(zhí)行加載、鏈接、初始化需要的額外類和接口。 加載（Loading）是這樣一個(gè)過程，找到代表這個(gè)類的 class 文件或根據(jù)特定的名字找到接口類型，然后讀取到一個(gè)字節(jié)數(shù)組中。接著，這些字節(jié)會被解析檢驗(yàn)它們是否代表一個(gè) Class 對象并包含正確的 major、minor 版本信息。直接父類的類和接口也會被加載進(jìn)來。這些操作一旦完成，類或者接口對象就從二進(jìn)制表示中創(chuàng)建出來了。 鏈接（Linking）是校驗(yàn)類或接口并準(zhǔn)備類型和父類父接口的過程。鏈接過程包含三步：校驗(yàn)（verifying）、準(zhǔn)備（preparing）、部分解析（optionally resolving）。 校驗(yàn)會確認(rèn)類或者接口表示是否結(jié)構(gòu)正確，以及是否遵循 Java 語言和 JVM 的語義要求，比如會進(jìn)行下面的檢查：
在驗(yàn)證階段做這些檢查意味著不需要在運(yùn)行階段做這些檢查。鏈接階段的檢查減慢了類加載的速度，但是它避免了執(zhí)行這些字節(jié)碼時(shí)的多次檢查。 準(zhǔn)備過程包括為靜態(tài)存儲和 JVM 使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（比如方法表）分配內(nèi)存空間。靜態(tài)變量創(chuàng)建并初始化為默認(rèn)值，但是初始化代碼不在這個(gè)階段執(zhí)行，因?yàn)檫@是初始化過程的一部分。 解析是可選的階段。它包括通過加載引用的類和接口來檢查這些符號引用是否正確。如果不是發(fā)生在這個(gè)階段，符號引用的解析要等到字節(jié)碼指令使用這個(gè)引用的時(shí)候才會進(jìn)行。 類或者接口初始化由類或接口初始化方法
JVM 中有多個(gè)類加載器，分飾不同的角色。每個(gè)類加載器由它的父加載器加載。bootstrap 加載器除外，它是所有最頂層的類加載器。
 加速類加載共享類數(shù)據(jù)（CDS）是Hotspot JVM 5.0 的時(shí)候引入的新特性。在 JVM 安裝過程中，安裝進(jìn)程會加載一系列核心 JVM 類（比如 rt.jar）到一個(gè)共享的內(nèi)存映射區(qū)域。CDS 減少了加載這些類需要的時(shí)間，提高了 JVM 啟動的速度，允許這些類被不同的 JVM 實(shí)例共享，同時(shí)也減少了內(nèi)存消耗。 方法區(qū)在哪里The Java Virtual Machine Specification Java SE 7 Edition 中寫得很清楚：“盡管方法區(qū)邏輯上屬于堆的一部分，簡單的實(shí)現(xiàn)可以選擇不對它進(jìn)行回收和壓縮?！薄racle JVM 的 jconsle 顯示方法區(qū)和 code cache 區(qū)被當(dāng)做為非堆內(nèi)存，而 OpenJDK 則顯示 CodeCache 被當(dāng)做 VM 中對象堆（ObjectHeap）的一個(gè)獨(dú)立的域。 Classloader 引用所有的類加載之后都包含一個(gè)加載自身的加載器的引用，反過來每個(gè)類加載器都包含它們加載的所有類的引用。 運(yùn)行時(shí)常量池JVM 維護(hù)了一個(gè)按類型區(qū)分的常量池，一個(gè)類似于符號表的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。盡管它包含更多數(shù)據(jù)。Java 字節(jié)碼需要數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)常因?yàn)樘蟛荒苤苯哟鎯υ谧止?jié)碼中，取而代之的是存儲在常量池中，字節(jié)碼包含這個(gè)常量池的引用。運(yùn)行時(shí)常量池被用來上面介紹過的動態(tài)鏈接。 常量池中可以存儲多種類型的數(shù)據(jù)：
示例代碼如下： Object foo = new Object(); 寫成字節(jié)碼將是下面這樣： 0: new #2 // Class java/lang/Object 1: dup 2: invokespecial #3 // Method java/ lang/Object ' new 操作碼的后面緊跟著操作數(shù) #2 。這個(gè)操作數(shù)是常量池的一個(gè)索引，表示它指向常量池的第二個(gè)實(shí)體。第二個(gè)實(shí)體是一個(gè)類的引用，這個(gè)實(shí)體反過來引用了另一個(gè)在常量池中包含 UTF8 編碼的字符串類名的實(shí)體（// Class java/lang/Object）。然后，這個(gè)符號引用被用來尋找 java.lang.Object 類。new 操作碼創(chuàng)建一個(gè)類實(shí)例并初始化變量。新類實(shí)例的引用則被添加到操作數(shù)棧。dup 操作碼創(chuàng)建一個(gè)操作數(shù)棧頂元素引用的額外拷貝。最后用 invokespecial 來調(diào)用第 2 行的實(shí)例初始化方法。操作碼也包含一個(gè)指向常量池的引用。初始化方法把操作數(shù)棧出棧的頂部引用當(dāng)做此方法的一個(gè)參數(shù)。最后這個(gè)新對象只有一個(gè)引用，這個(gè)對象已經(jīng)完成了創(chuàng)建及初始化。 如果你編譯下面的類： package org.jvminternals;public class SimpleClass { public void sayHello() { System.out.println('Hello'); }} 生成的類文件常量池將是這個(gè)樣子： Constant pool: #1 = Methodref #6.#17 // java/lang/Object.' 這個(gè)常量池包含了下面的類型：
異常表異常表像這樣存儲每個(gè)異常處理信息：
如果一個(gè)方法有定義 try-catch 或者 try-finally 異常處理器，那么就會創(chuàng)建一個(gè)異常表。它為每個(gè)異常處理器和 finally 代碼塊存儲必要的信息，包括處理器覆蓋的代碼塊區(qū)域和處理異常的類型。 當(dāng)方法拋出異常時(shí)，JVM 會尋找匹配的異常處理器。如果沒有找到，那么方法會立即結(jié)束并彈出當(dāng)前棧幀，這個(gè)異常會被重新拋到調(diào)用這個(gè)方法的方法中（在新的棧幀中）。如果所有的棧幀都被彈出還沒有找到匹配的異常處理器，那么這個(gè)線程就會終止。如果這個(gè)異常在最后一個(gè)非守護(hù)進(jìn)程拋出（比如這個(gè)線程是主線程），那么也有會導(dǎo)致 JVM 進(jìn)程終止。 Finally 異常處理器匹配所有的異常類型，且不管什么異常拋出 finally 代碼塊都會執(zhí)行。在這種情況下，當(dāng)沒有異常拋出時(shí)，finally 代碼塊還是會在方法最后執(zhí)行。這種靠在代碼 return 之前跳轉(zhuǎn)到 finally 代碼塊來實(shí)現(xiàn)。 符號表除了按類型來分的運(yùn)行時(shí)常量池，Hotspot JVM 在永久代還包含一個(gè)符號表。這個(gè)符號表是一個(gè)哈希表，保存了符號指針到符號的映射關(guān)系（也就是 Hashtable 引用計(jì)數(shù)被用來控制一個(gè)符號從符號表從移除的過程。比如當(dāng)一個(gè)類被卸載時(shí)，它擁有的在常量池中所有符號的引用計(jì)數(shù)將減少。當(dāng)符號表中的符號引用計(jì)數(shù)為 0 時(shí)，符號表會認(rèn)為這個(gè)符號不再被引用，將從符號表中卸載。符號表和后面介紹的字符串表都被保存在一個(gè)規(guī)范化的結(jié)構(gòu)中，以便提高效率并保證每個(gè)實(shí)例只出現(xiàn)一次。 Java 語言規(guī)范要求相同的（即包含相同序列的 Unicode 指針序列）字符串字面量必須指向相同的 String 實(shí)例。除此之外，在一個(gè)字符串實(shí)例上調(diào)用 String.intern() 方法的返回引用必須與字符串是字面量時(shí)的一樣。因此，下面的代碼返回 true： Hotspot JVM 中 interned 字符串保存在字符串表中。字符串表是一個(gè)哈希表，保存著對象指針到符號的映射關(guān)系（也就是Hashtable 當(dāng)類加載時(shí)，字符串字面量被編譯器自動 intern 并加入到符號表。除此之外，String 類的實(shí)例可以調(diào)用 String.intern() 顯式地 intern。當(dāng)調(diào)用 String.intern() 方法時(shí)，如果符號表已經(jīng)包含了這個(gè)字符串，那么就會返回符號表里的這個(gè)引用，如果不是，那么這個(gè)字符串就被加入到字符串表中同時(shí)返回這個(gè)引用。 |
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