JVM 内存模型

JVM 是底层操作系统的抽象。它确保无论 JVM 在什么硬件或操作系统上运行，相同的代码都将以相同的行为运行。 例如：

• 无论 JVM 是在16位/ 32位/ 64位的OS上运行，基本类型int的大小始终是从-2 ^ 31到2 ^ 31-1的32位有符号整数。

• 无论底层的OS /硬件是big-endian还是little-endian(即低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端)，每个JVM都以大端顺序（高字节在前）存储和使用内存中的数据。

上图概述了 JVM：

• JVM 解释由编译类的源代码产生的字节码（指令集）。尽管 JVM 代表“Java虚拟机”，但它可以运行其他语言，例如 scala 或 groovy，只要它们可以被编译为Java字节码即可。
• 为了避免磁盘 I/O，字节码由运行时数据去之一中的类加载器加载到 JVM 中。此代码将保留在内存中，直到 JVM 停止或销毁（加载了它）类加载器为止。
• 然后，加载的代码由执行引擎解释并执行。
• 执行引擎需要指针一样存储数据以执行代码。它还需要存储在开发人员代码中处理的数据。
• 执行引擎还负责处理底层操作系统。

注意：许多 JVM 实现的执行引擎并不总是解释字节码，而是将字节码编译为本地代码（如果经常使用的话）。它称为即时（JIT）编译，可以大大加快 JVM 的速度。编译后的代码临时保存在通常称为“代码缓存（Code Cache）”的区域中，由于该区域不在 JVM 规范中，因此在本文的其余部分先不讨论。

基于堆栈的架构 Stack based architecture

JVM 使用基于堆栈的体系结构。尽管它对于开发人员是不可见的，但它对生成的字节码和 JVM 体系结构具有巨大的影响。

JVM 通过执行 Java 字节码中描述的基本操作来执行开发人员的代码。操作数是在其上操作指令的值。根据 JVM 规范，这些操作要求参数通过称为操作数堆栈的堆栈传递。

例如，我们对2个整数进行基本的加法，该操作被称为IADD(integer additon)。如果要在字节码中添加3和4:

• 首先在操作数堆栈中压入3和4.
• 然后在调用iadd指令。
• iadd 将弹出操作数堆栈的最后2个值。
• 将 int 结果（3+4）压入操作数堆栈，以提供给其它操作使用。

字节码 Bytecode

public class Test{
    public static void main(String[] args){
        int a = 1;
        int b = 15;
        int result = add(a, b);
    }

    public static int add(int a, int b){
        int result = a + b;
        return result;
    }
}

javac Test.java这条命令在Test.class中生成一个字节码。由于Java字节码是二进制代码，因此我们是无法阅读的。Oracle在其 JDK javap 中提供了一个工具，该工具可将二进制字节码转换为JVM规范中易于阅读的带有标签的操作代码集。

输入命令javap -verbose Test.class可以得到以下结果：

Classfile /C:/TMP/Test.class  Last modified 1 avr. 2015; size 367 bytes  MD5 checksum adb9ff75f12fc6ce1cdde22a9c4c7426  Compiled from "Test.java"public class com.codinggeek.jvm.Test  SourceFile: "Test.java"  minor version: 0  major version: 51  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPERConstant pool:   #1 = Methodref          #4.#15         //  java/lang/Object."<init>":()V   #2 = Methodref          #3.#16         //  com/codinggeek/jvm/Test.add:(II)I   #3 = Class              #17            //  com/codinggeek/jvm/Test   #4 = Class              #18            //  java/lang/Object   #5 = Utf8               <init>   #6 = Utf8               ()V   #7 = Utf8               Code   #8 = Utf8               LineNumberTable   #9 = Utf8               main  #10 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V  #11 = Utf8               add  #12 = Utf8               (II)I  #13 = Utf8               SourceFile  #14 = Utf8               Test.java  #15 = NameAndType        #5:#6          //  "<init>":()V  #16 = NameAndType        #11:#12        //  add:(II)I  #17 = Utf8               com/codinggeek/jvm/Test  #18 = Utf8               java/lang/Object{  public com.codinggeek.jvm.Test();    flags: ACC_PUBLIC    Code:      stack=1, locals=1, args_size=1         0: aload_0         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V         4: return      LineNumberTable:        line 3: 0   public static void main(java.lang.String[]);    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC    Code:      stack=2, locals=4, args_size=1         0: iconst_1         1: istore_1         2: bipush        15         4: istore_2         5: iload_1         6: iload_2         7: invokestatic  #2                  // Method add:(II)I        10: istore_3        11: return      LineNumberTable:        line 6: 0        line 7: 2        line 8: 5        line 9: 11   public static int add(int, int);    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC    Code:      stack=2, locals=3, args_size=2         0: iload_0         1: iload_1         2: iadd         3: istore_2         4: iload_2         5: ireturn      LineNumberTable:        line 12: 0        line 13: 4}

可读的.class表明字节码不仅仅包含Java源代码的简单转译。还包含了：

• 类的常量池的描述。常量池是 JVM 的数据区域之一，用于存储有关类的元数据，例如方法名称以及它们的参数等。当 JVM 中加载类时，这部分进入常量池。

• 诸如`LineNumberTable`或`LocalVariableTable`之类的信息，用于指定函数的位置（以字节为单位）及其字节码中的变量。
• 我们的Java代码（加上隐藏的构造函数）的字节码形式。
• 处理操作数堆栈的特定操作，以及更广泛的传递和获取参数的方式。

ClassFile {  u4 magic;  u2 minor_version;  u2 major_version;  u2 constant_pool_count;  cp_info constant_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];}

运行时数据区 Runtime Data Areas

堆 Heap

MyClass myVariable = new MyClass();MyClass[] myArrayClass = new MyClass[1024];

堆可以动态扩展或收缩，并且可以具有固定的最小和最大大小。例如，在Oracle Hotspot中，用户可以通过以下方式用Xms和Xmx参数指定堆的最小大小

java -Xms = 512m -Xmx = 1024m…

方法区 Method area

方法区域存储：

• 类信息（字段/方法的数量、父类名称、接口名称、版本等）。
• 方法和构造方法的字节码。
• 每个类加载的运行时常量池。

运行时常量池 Runtime constant pool

该常量池是方法区的一部分。由于它是元数据的重要组成部分，因此 Oracle 规范描述了方法区之外的运行时常量池。对于每个加载的类或接口，此常量池都会增加。该常量池就像常规编程语言的符号表。换句话说，当引用类、方法或字段时，JVM 使用运行常量池在内存中搜索实际地址。它还包含常量值，例如字符串或常量。

String myString1 = “This is a string litteral”;static final int MY_CONSTANT=2;

寄存器（每个线程）pc Register

每个线程都有自己的pc（程序计数器）寄存器，与该线程同时被创建。在任何时候，每个Java虚拟机线程都在执行单个方法的代码，即该线程的当前方法。pc寄存器包含当前正在执行的Java虚拟机指令的地址（位于方法区中）。

注意：如果线程当前正在执行的方法是本地的，则Java虚拟机的pc寄存器的值是未定义的。Java虚拟机的pc寄存器足够大，可以在特定平台上保存 returnAddress 或本地指针。

Java虚拟机堆栈（每个线程）JVM Stacks 

堆栈区域存储多个帧（Frames），因此在讨论堆栈之前，将介绍这些帧（Frame）。

栈帧 Frames

帧是一种数据结构，{Frame [ReturnValue] [LocalVariables[][][][]...] [OperandStack [][][]...] [ConstPoolRef] }，其中包含多个数据，这些数据表示当前方法中线程的状态：

• 操作数堆栈：字节码指令使用此堆栈来处理参数。此堆栈还用于在方法调用中传递参数，并在调用方法的堆栈顶部获取被调用方法的结果。Frame被创建时，操作栈是空的。操作栈的每个项可以存放JVM的各种类型数据，包括long/double。操作栈有个栈深，long/double贡献两个栈深。操作栈调用其它有返回结果的方法时，会把结果push到栈上。
• 局部变量数组：此数组包含当前方法范围内的所有局部变量。该数组可以保存基本类型，引用或returnAddress的值。该数组的大小是在编译时计算的。Java虚拟机在方法调用时传递参数使用局部变量，被调用方法的数组是从调用方法的操作数堆栈创建的。
• 运行时常量池引用：引用正在执行的当前方法的的当前类的常量池。JVM 使用它将符号方法/变量引用（例如myInstance.method()）转换为真正的的内存引用。

堆栈 Stack

每个Java虚拟机线程都有一个私有Java虚拟机堆栈，与该线程同时被创建。Java虚拟机堆栈中存储栈帧。每次调用方法时，都会创建一个新的帧并将其放入堆栈中。帧的方法调用完成时，无论结果是正常的还是突然的（引发了未能捕获的异常），它都会被销毁。

给定线程中的任何一点都只有一个帧（用于执行方法的Frame）处于活动状态。该帧被称为当前帧，其方法称为当前方法。定义当前方法的类是当前类。局部变量和操作数堆栈上的操作通常参考当前帧。

下面还是让我们来看一个简单的执行加法的过程：

public int add(int a, int b){
    return a + b;
}
public void functionA(){
    int result = add(2, 3);
}

这是functionA()在 JVM 内部的运行情况：

在functionA()内部，Frame A是当前帧并且是堆栈中顶部的帧。在内部调用add()的开始处，将新的帧（Frame B）放入堆栈中。这时Frame B称为当前帧。通过pop出Frame A的操作数堆栈来填充Frame B的局部变量数组。add()完成后，Frame B被销毁，Frame A再次成为当前帧。add()的结果放在Frame A的操作数堆栈上，以便于functionA()可以通过pop其操作数堆栈来使用它。

注意：此堆栈的功能使其可以动态扩展和收缩。堆栈不能超过最大大小，这限制了递归调用的数量。如果超出此限制，JVM 将抛出StackOverflowError。

使用 Oracle HotSpot，可以使用参数-Xss指定此限制。

本地方法栈（每个线程）Native method stack

这是用非Java语言编写并通过JNI（Java本机接口）调用的本机代码的堆栈。 由于是“本地/本机(native)”堆栈，因此该堆栈的行为完全取决于基础操作系统。

• 本地方法栈是一个后入先出（Last In First Out）栈，同样是线程私有的，随着线程启动而产生，随着线程的结束而消亡。

• 允许被实现成固定或者是可动态扩展的内存大小。

• 如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量，Java 虚拟机将会抛出StackOverflowError异常。

• 如果本地方法栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的本地方法栈，那么 Java 虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常

• 它的具体做法是在 Native Method stack 中登记 native 方法，在Execution Engine执行时加载本地方法库。

当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界。它和虚拟机拥有同样的权限。

• 本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区。
• 它甚至可以直接使用本地处理器中的寄存器。
• 直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存。

本地方法是如何工作的？