深入理解Java虚拟机（二）

前言

 前一篇概述了Java技术的体系结构，这里集中对于Java虚拟机的讨论，首先对于Java虚拟机的内部机制做一个概述。

正文
1.Java虚拟机是什么

 要理解Java虚拟机，首先必须意识到，每当提到“Java虚拟机”时，可能指的的如下三种不同的东西：
抽象规范；
一个具体的实现；
一个运行中的虚拟机实例。
 Java虚拟机抽象规范仅仅是个概念，而该规范的具体实现，可能来自多个提供商，并存在于多个平台上，它或者是完全用软件实现，或者以硬件和软件相结合的方式来实现，当运行一个Java程序时，也就是运行了一个Java虚拟机实例。
 虚拟机的生命周期：Java程序初始类中的main（）方法，将作为改程序初始线程的起点，任何其他的线程都是由这个初始线程启动的。一般有两种线程：守护线程和非守护线程。只要还有任何非守护线程在运行，那么这个Java程序也在续集运行（虚拟机仍然存活）。也可以调用Runtime类或者System类的exit（）方法来退出。

2. Java虚拟机的体系结构

每个Java虚拟机都有一个类装载器子系统，它根据给定的全限定类名来装入类型（类或接口）。同样，每个Java虚拟机都有一个执行引擎，它负责执行那些包含在被装载类的方法中的指令。

 当虚拟机运行一个程序时，它需要内存来存储许多东西，例如，字节码，从已经装载的class文件中得到得其他信息，程序创建的对象，传递给方法的参数，返回值，局部变量，以及运算的中间结果等等，Java虚拟机把这些东西都组织到几个“运行时的数据区”中，以便于管理。
 某些运行时数据区是程序中所有线程共享的，还有一些则是只能有一个线程拥有，每个Java虚拟机实例都有一个方法区及一个堆，他们就是所有线程共享的，当虚拟机装载一个class文件时，他会从这个class文件包含的二进制数据中解析类型信息，然后，他把类型信息放到方法区中，当程序运行时，虚拟机会把所有该程序运行创建的对象都放到堆中。
 当每一个先的线程被创建时，它都将得到它自己的PC寄存器（程序计数器），以及一个Java栈，如果线程正在执行的是一个Java方法（非本地方法），那么PC寄存器的值将总是指示下一条将被执行的指令，而它的Java栈则总是存储该线程中Java方法调用的状态——包含它的局部变量，被调用传进来的参数，它的返回值，以及运算的中间结果等等。而本地方法调用的状态，则是以某种依赖于具体实现的方法存储在本地方法栈中，也可能实在寄存器或者其他某些与特定实现相关的内存中。
  Java栈是由许多栈帧或者说帧组成的，一个栈帧包含一个Java方法的调用状态，当线程调用一个Java方法时，虚拟机压入一个新的栈帧到该线程的Java栈中，当该方法返回时，这个栈帧被从Java栈中弹出并抛弃。

2.1 数据类型

 数据类可以分为两种：基本数据类型和引用数据类型。有八大基本数据类型，还有一种returnAddress，只在Java虚拟机内部使用，用来实现Java程序中的finally子句。
引用类型有三种：类类型，接口类型以及数组类型。

2.2 运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。 这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

2.2.1 程序计数器

  程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。 在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、 循环、 跳转、 异常处理、 线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
  由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。 因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
  如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。 此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2.2.2 Java虚拟机栈

  与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。 虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame[1]）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，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
  经常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分法比较粗糙，Java内存区域的划分实际上远比这复杂。 这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最关注的、 与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。 其中所指的“堆”笔者在后面会专门讲述，而所指的“栈”就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。
  局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类（boolean、 byte、 char、 short、 int、float、 long,double）、 对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

2.2.3 本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。 在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、 使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。 甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。 与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

2.2.4 Java堆

  对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。 此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。 这一点在Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、 标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。
  Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”（GarbageCollected Heap，幸好国内没翻译成“垃圾堆”）。 从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老代；再细致一点的有Eden空间、 From Survivor空间、 To Survivor空间等。 从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）。 不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。
  根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。 在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。 如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。