深入理解JVM

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   前面两篇关于Java的文章简单介绍了Java、JRE、JVM之间的联系以及JVM的一些特点，我们都知道Java字节码运行在JRE(Java Runtime Environment)中，而JRE中最重要的就是Java Virtual Machine(JVM)了，JVM负责解释和执行Java字节码，从Java程序员的角度来看，我们并不需要了解JVM如何运行就可以写出很多漂亮的程序。

   但是作为一名Java开发者，如果能够深入理解JVM的工作原理，可以帮助我们对Java这门语言有着更加深刻的认识，提高真实水平，也可以解决一些看上去摸不着头脑的bug，让程序更加具有效率。所以，这篇文章里，我将深入介绍JVM的工作原理，JVM的体系结构。

    对于JVM的特点介绍请看我之前写的文章JVM初步了解，这里深入介绍JVM的结构，下图是Java程序的执行流程：

 

 

中间绿色部分就是JVM的结构，一个类加载器加载Java字节码到运行时数据区，执行引擎执行Java字节码，指令计数器指向当前应该执行的指令。

运行时数据区详细结构图如下：

 

从操作系统的角度来看，进程是资源分配的最小单位，而线程则是CPU管理、调度的最小单位，线程往往共享所属进程的内存资源，但是线程的运行也需要分配一些资源，比如计数器、栈。当Java程序在JVM运行时，JVM就会为该进程分配数据区，进程运行时，每创建一个线程，都会为线程分配计数器、JVM栈、本地方法栈。

单个线程的数据区：

l 程序计数器：线程启动的时候，计数器就会被创建，其记录当前需要执行的指令地址

l JVM栈：线程启动的时候，栈就会被创建，栈中存储的是栈帧（Stack Frame），这里的栈也就是我们数据结构讲的栈，可以进行Push和Pop操作栈帧。结构图如下：

                     

当一个方法在JVM中执行时，栈帧被创建，并且存储到对应线程的JVM栈中，当方法执行完毕返回时，从该线程的JVM栈中移除。因为在编译时就可以确定局部变量和操作数的大小，所以栈帧的大小也是确定的。

局部变量数组：索引0存储的是该方法所属对象的引用，从索引1开始存储的是方法参数，方法参数后存储的是方法内的局部变量。

操作数栈：这是方法的实际工作区，每个方法都是在操作数栈和局部变脸数组交换数据。我的理解是可以参考x86指令集，x86指令集中会使用一些通用寄存器来暂存中间数据，但是正如上篇文章所讲的JVM特点，JVM不是基于寄存器的，而是基于栈的。

l 本地方法栈：本地方法所需要的栈空间，JVM借助于JNI(Java Native Interface)执行C/C++程序，所以专门为这些程序创建栈空间。我的理解是，毕竟JVM是架构在真实操作系统之上，比如Windows、Linux之上，JVM也需要使用操作系统提供的接口来实现功能。

多线程共享的数据区：

l 堆：存储数组和对象，因为这一部分是动态存储的，垃圾回收会定时对该存储区进行回收空间

l 方法区：包括运行时常量池，类结构信息和方法信息，静态变量，每个类的方法字节码。

l 运行时常量池：每个类或者接口编译后的.class文件中具有常量池表，当JVM装载类之后，就解析常量池表到运行时常量池，其中包括数字值，String值，和运行时解析的方法引用（method reference）和属性域引用（field reference）。