淺談JVM及原理

前言

  JVM一直是java知識里面進階階段的重要部分，如果希望在java領域研究的更深入，則JVM則是如論如何也避開不了的話題，本系列試圖通過簡潔易讀的方式，講解JVM必要的知識點。

運行流程

  我們都知道java一直宣傳的口號是：一次編譯，到處運行。那么它如何實現的呢？我們看下圖：

  java程序經過一次編譯之后，將java代碼編譯為字節碼也就是class文件，然后在不同的操作系統上依靠不同的java虛擬機進行解釋，最后再轉換為不同平台的機器碼，最終得到執行。這樣我們是不是可以推演，如果要在mac系統上運行，是不是只需要安裝mac java虛擬機就行了。那么了解了這個基本原理后，我們嘗試去做更深的研究，一個普通的java程序它的執行流程到底是怎樣的呢？例如我們寫了一段這樣的代碼：

public class HelloWorld { public static void main(String[] args) { System.out.print("Hello world"); } }

這段程序從編譯到運行，最終打印出“Hello world”中間經過了哪些步驟呢？我們直接上圖：

  java代碼通過編譯之后生成字節碼文件（class文件），通過：java HelloWorld執行，此時java根據系統版本找到jvm.cfg，各位可以搜索一下自己電腦上的jvm.cfg文件在哪，它會根據你的系統版本放在不同的位置，比如我的這個文件就在：C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_101\jre\lib\amd64\jvm.cfg，打開看一下：

  這是我電腦上的文件，其中-server KNOWN就表示名稱為server的jvm可用。如果這時你搜索一下你電腦上jvm.dll，你就會發現它一定在你的某個server目錄下，比如我的：C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_101\jre\bin\server\jvm.dll。簡而言之就是通過jvm.cfg文件找到對應的jvm.dll，jvm.dll則是java虛擬機的主要實現。接下來會初始化JVM,並且獲取JNI接口，什么是JNI接口，就是java本地接口，你想啊java被編譯成了class文件，JVM怎么從硬盤上找到這個文件並裝載到JVM里呢，就是通過JNI接口（它還常用於java與操作系統、硬件交互），找到class文件后並裝載進JVM，然后找到main方法，最后執行。

 

 

JVM基本結構

 

 

  可能通過上面的描述，大家對JVM運行流程有了一個粗略的認識，那么JVM內部到底是怎么執行一個class文件的呢，也就是上圖中最后一步第6步的內部細節是怎樣的呢？要了解這個問題，我們首先得看一下JVM的內部結構：

  從這個結構不難看出，class文件被jvm裝載以后，經過jvm的內存空間調配，最終是由執行引擎完成class文件的執行。當然這個過程還有其他角色模塊的協助，這些模塊協同配合才能讓一個java程序成功的運行，下面就詳細介紹這些模板，它們也是后面學習jvm最重要的部分。

 

 

內存空間：

 

 

JVM內存空間包含：方法區、java堆、java棧、本地方法棧。

方法區是各個線程共享的區域，存放類信息、常量、靜態變量。

java堆也是線程共享的區域，我們的類的實例就放在這個區域，可以想象你的一個系統會產生很多實例，因此java堆的空間也是最大的。如果java堆空間不足了，程序會拋出OutOfMemoryError異常。

java棧是每個線程私有的區域，它的生命周期與線程相同，一個線程對應一個java棧，每執行一個方法就會往棧中壓入一個元素，這個元素叫“棧幀”，而棧幀中包括了方法中的局部變量、用於存放中間狀態值的操作棧，這里面有很多細節，我們以后再講。如果java棧空間不足了，程序會拋出StackOverflowError異常，想一想什么情況下會容易產生這個錯誤，對，遞歸，遞歸如果深度很深，就會執行大量的方法，方法越多java棧的占用空間越大。

每個幀代表一個方法，Java方法有兩種返回方式，return和拋出異常，兩種方式都會導致該方法對應的幀出棧和釋放內存。

 ③ 棧運行原理

     棧中的數據都是以棧幀（Stack Frame）的格式存在，棧幀是一個內存區塊，是一個數據集，是一個有關方法和運行期數據的數據集，當一個方法A被調用時就產生了一個棧幀F1，並被壓入到棧中，A方法又調用了B方法，於是產生棧幀F2也被壓入棧，B方法又調用了C方法，於是產生棧幀F3也被壓入棧…… 依次執行完畢后，先彈出后進......F3棧幀，再彈出F2棧幀，再彈出F1棧幀。

     遵循“先進后出”/“后進先出”原則。

    幀的組成：局部變量區（包括方法參數和局部變量，對於instance方法，還要首先保存this類型，其中方法參數按照聲明順序嚴格放置，局部變量可以任意放置），操作數棧，幀數據區（用來幫助支持常量池的解析，正常方法返回和異常處理）。

本地方法棧角色和java棧類似，只不過它是用來表示執行本地方法的，本地方法棧存放的方法調用本地方法接口，最終調用本地方法庫，實現與操作系統、硬件交互的目的。

PC寄存器，說到這里我們的類已經加載了，實例對象、方法、靜態變量都去了自己改去的地方，那么問題來了，程序該怎么執行，哪個方法先執行，哪個方法后執行，這些指令執行的順序就是PC寄存器在管，它的作用就是控制程序指令的執行順序。

執行引擎當然就是根據PC寄存器調配的指令順序，依次執行程序指令。

 

靜態變量+常量+類信息+運行時常量池存在方法區中，實例變量存在堆內存中。

 基本類型的變量和對象的引用變量都是在函數的棧內存中分配。

另一篇有見解的jvm 文章： https://blog.csdn.net/Luomingkui1109/article/details/72820232