JVM整体结构

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Java虚拟机主要负责自动内存管理、类加载与执行、主要包括执行引擎、垃圾回收器、PC寄存器、方法区、堆区、直接内存、Java虚拟机栈、本地方法栈、及类加载子系统几个部分,其中方法区与Java堆区由所有线程共享、Java虚拟机栈、本地方法栈、PC寄存器线程私有,宏观的结构如下图所示:

JVM结构图

JVM基本结构.png

类加载子系统

从文件或网络中加载Class信息,类信息存放于方法区,类的加载包括加载->验证->准备->解析->初始化->使用->卸载几个阶段,详细流程后续文章会介绍。 类加载流程.png

  • 加载

从文件或网络中读取类的二进制数据、将字节流表示的静态存储结构转换为方法区运行时数据结构、并于堆中生成Java对象实例,类加载器既可以使用系统提供的加载器(默认),也可以自定义类加载器。

  • 连接

连接分为验证、准备、解析3个阶段,验证阶段确保类加载的正确性、准备阶段为类的静态变量分配内存,并将其初始化为默认值、解析阶段将类中的符号引用转换为直接引用

  • 初始化

初始化阶段负责类的初始化,Java中类变量初始化的方式有2种,声明类变量时指定初始值、静态代码块指定初始化,只有类被主动使用时才会触发类的初始化,类的初始化会先初始化父类,然后再初始化子类。

  • 使用

类访问方法区内的数据结构的接口,对象是堆区的数据

  • 卸载

程序执行了System.exit()、程序正常执行结束、JVM进程异常终止等

运行时数据区域

程序从静态的源代码到编译成为JVM执行引擎可执行的字节码,会经历类的加载过程,并于内存空间开辟逻辑上的运行时数据区域,便于JVM管理,其中各数据区域如下,其中垃圾回收JVM会自动自行管理

栈帧数据结构

Java中方法的执行在虚拟机栈中执行,为每个线程所私有,每次方法的调用和返回对应栈帧的压栈和出栈,其中栈帧中保存着局部变量表、方法返回地址、操作数栈及动态链接信息。

动态链接

Java中方法执行过程中,栈帧保存方法的符号引用,通过动态链接,将解析为符号引用。

内存管理

  • 内存划分(逻辑上)

Java内存区域从逻辑上分为堆区和非堆区,Java8以前,非堆区又称为永久区,Java8以后统一为原数据区,堆区按照分代模型分为新生代和老年代,其中新生代分为Eden、so、s1,so和s1是大小相同的2块区域,生产环境可以根据具体的场景调整虚拟机内存分配比例参数,达到性能调优的效果。

堆区是JVM管理的最大内存区域,由所有线程共享,采用分代模型,堆区主要用于存放对象实例,堆可以是物理上不连续的空间,逻辑上连续即可,其中堆内存大小可以通过虚拟机参数-Xmx、-Xms指定,当堆无法继续扩展时,将抛出OOM异常。

  • 运行时实例

假设存在如下的SimpleHeap测试类,则SimpleHeap在内存中的堆区、Java栈、方法区对应的映射关系如下图所示:

public class SimpleHeap {
    /**
     * 实例变量
     */
    private int id;

    /**
     * 构造器
     *
     * @param id
     */
    public SimpleHeap(int id) {
        this.id = id;
    }

    /**
     * 实例方法
     */
    private void displayId() {
        System.out.println("id:" + id);
    }

    public static void main(String[]args){
        SimpleHeap heap1=new SimpleHeap(1);
        SimpleHeap heap2=new SimpleHeap(2);
        heap1.displayId();
        heap2.displayId();
    }

}
复制代码

堆、栈、方法区关系.png 同理,建设存在Person类,则创建对象实例后,内存中堆区、Java方法栈、方法区三者关系如下图:

直接内存

Java NIO库允许Java程序使用直接内存,直接内存是独立于Java堆区的一块内存区域,访问内存的速度优于堆区,出于性能考虑,针对读写频繁的场景,可以直接操作直接内存,它的大小不受Xmx参数的限制,但堆区内存和直接内存总和必须小于系统内存。

PC寄存器

线程私有空间,又称之为程序计数器,任意时刻,Java线程总在执行一个方法,正在执行的方法,我们称之为:"当前方法”,如果当前方法不是本地方法,则PC寄存器指向当前正在被执行的指令;若当前方法是本地方法,则PC寄存器的值是undefined。

垃圾回收系统

垃圾回收系统是Java虚拟机中的重要组成部分,其主要对方法区、堆区、直接内存空间进行回收,与C/C++不同,Java中所有对象的空间回收是隐式进行的,其中垃圾回收会根据GC算法自动完成内存管理。

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