jvm运行原理

JVM是虚拟机，也是一种规范，他遵循着冯·诺依曼体系结构的设计原理。冯·诺依曼体系结构中，指出计算机处理的数据和指令都是二进制数，采用存储程序方式不加区分的存储在同一个存储器里，并且顺序执行，指令由操作码和地址码组成，操作码决定了操作类型和所操作的数的数字类型，地址码则指出地址码和操作数。从dos到window8，从unix到ubuntu和CentOS，还有MAC OS等等，不同的操作系统指令集以及数据结构都有着差异，而JVM通过在操作系统上建立虚拟机，自己定义出来的一套统一的数据结构和操作指令，把同一套语言翻译给各大主流的操作系统，实现了跨平台运行，可以说JVM是java的核心，是java可以一次编译到处运行的本质所在。

我研究学习了JVM的组成和运行原理，JVM的统一数据格式规范、字节码文件结构，JVM关于内存的管理。

一、JVM的组成和运行原理

JVM的毕竟是个虚拟机，是一种规范，虽说符合冯诺依曼的计算机设计理念，但是他并不是实体计算机，所以他的组成也不是什么存储器，控制器，运算器，输入输出设备。在我看来，JVM放在运行在真实的操作系统中表现的更像应用或者说是进程，他的组成可以理解为JVM这个进程有哪些功能模块，而这些功能模块的运作可以看做是JVM的运行原理。JVM有多种实现，例如Oracle的JVM，HP的JVM和IBM的JVM等，而在本文中研究学习的则是使用最广泛的Oracle的HotSpot JVM。

1.JVM在JDK中的位置。

JDK是java开发的必备工具箱，JDK其中有一部分是JRE，JRE是JAVA运行环境，JVM则是JRE最核心的部分。我从oracle.com截取了一张关于JDK Standard Edtion的组成图，


!从最底层的位置可以看出来JVM有多重要，而实际项目中JAVA应用的性能优化，OOM等异常的处理最终都得从JVM这儿来解决。HotSpot是Oracle关于JVM的商标，区别于IBM，HP等厂商开发的JVM。Java HotSpot Client VM和Java HotSpot Server VM是JDK关于JVM的两种不同的实现，前者可以减少启动时间和内存占用，而后者则提供更加优秀的程序运行速度

2.JVM的组成

JVM由4大部分组成：ClassLoader，Runtime Data Area，Execution Engine，Native Interface。

我从CSDN找了一张描述JVM大致结构的图：



2.1.ClassLoader是负责加载class文件，class文件在文件开头有特定的文件标示，并且ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。

2.2.Native Interface是负责调用本地接口的。他的作用是调用不同语言的接口给JAVA用，他会在Native Method Stack中记录对应的本地方法，然后调用该方法时就通过Execution Engine加载对应的本地lib。原本多于用一些专业领域，如JAVA驱动，地图制作引擎等，现在关于这种本地方法接口的调用已经被类似于Socket通信，WebService等方式取代。

2.3.Execution Engine是执行引擎，也叫Interpreter。Class文件被加载后，会把指令和数据信息放入内存中，Execution Engine则负责把这些命令解释给操作系统。

2.4.Runtime Data Area则是存放数据的，分为五部分：Stack，Heap，Method Area，PC Register，Native Method Stack。几乎所有的关于java内存方面的问题，都是集中在这块。下图是javapapers.com上关于Run-time Data Areas的描述：



2.4.1.Stack是java栈内存，它等价于C语言中的栈，栈的内存地址是不连续的，每个线程都拥有自己的栈。栈里面存储着的是StackFrame，在《JVM Specification》中文版中被译作java虚拟机框架，也叫做栈帧。StackFrame包含三类信息：局部变量，执行环境，操作数栈。局部变量用来存储一个类的方法中所用到的局部变量。执行环境用于保存解析器对于java字节码进行解释过程中需要的信息，包括：上次调用的方法、局部变量指针和操作数栈的栈顶和栈底指针。操作数栈用于存储运算所需要的操作数和结果。StackFrame在方法被调用时创建，在某个线程中，某个时间点上，只有一个框架是活跃的，该框架被称为Current Frame，而框架中的方法被称为Current Method，其中定义的类为Current Class。局部变量和操作数栈上的操作总是引用当前框架。当Stack Frame中方法被执行完之后，或者调用别的StackFrame中的方法时，则当前栈变为另外一个StackFrame。Stack的大小是由两种类型，固定和动态的，动态类型的栈可以按照线程的需要分配。

2.4.2.Heap是用来存放对象信息的，和Stack不同，Stack代表着一种运行时的状态。换句话说，栈是运行时单位，解决程序该如何执行的问题，而堆是存储的单位，解决数据存储的问题。Heap是伴随着JVM的启动而创建，负责存储所有对象实例和数组的。堆的存储空间和栈一样是不需要连续的，它分为Young Generation和Old Generation（也叫Tenured Generation）两大部分。Young Generation分为Eden和Survivor，Survivor又分为From Space和 ToSpace。

和Heap经常一起提及的概念是PermanentSpace，它是用来加载类对象的专门的内存区，是非堆内存，和Heap一起组成JAVA内存，它包含MethodArea区（在没有CodeCache的HotSpotJVM实现里，则MethodArea就相当于GenerationSpace）。在JVM初始化的时候，我们可以通过参数来分别指定，PermanentSpace的大小、堆的大小、以及Young Generation和Old Generation的比值、Eden区和From Space的比值，从而来细粒度的适应不同JAVA应用的内存需求。

2.4.3.PC Register是程序计数寄存器，每个JAVA线程都有一个单独的PC Register，他是一个指针，由Execution Engine读取下一条指令。如果该线程正在执行java方法，则PC Register存储的是 正在被执行的指令的地址，如果是本地方法，PC Register的值没有定义。PC寄存器非常小，只占用一个字宽，可以持有一个returnAdress或者特定平台的一个指针。

2.4.4.Method Area在HotSpot JVM的实现中属于非堆区，非堆区包括两部分：Permanet Generation和Code Cache，而Method Area属于Permanert Generation的一部分。Permanent Generation用来存储类信息，比如说：class definitions，structures，methods， field， method (data and code) 和 constants。Code Cache用来存储Compiled Code，即编译好的本地代码，在HotSpot JVM中通过JIT(Just In Time) Compiler生成，JIT是即时编译器，他是为了提高指令的执行效率，把字节码文件编译成本地机器代码，如下图：



引用一个经典的案例来理解Stack，Heap和Method Area的划分，就是Sring a=”xx”；Stirng b=”xx”，问是否a==b? 首先==符号是用来判断两个对象的引用地址是否相同，而在上面的题目中，a和b按理来说申请的是Stack中不同的地址，但是他们指向Method Area中Runtime Constant Pool的同一个地址，按照网上的解释，在a赋值为“xx”时，会在Runtime Contant Pool中生成一个String Constant，当b也赋值为“xx”时，那么会在常量池中查看是否存在值为“xx”的常量，存在的话，则把b的指针也指向“xx”的地址，而不是新生成一个String Constant。我查阅了网络上大家关于String Constant的存储的说说法，存在略微差别的是，它存储在哪里，有人说Heap中会分配出一个常量池，用来存储常量，所有线程共享它。而有人说常量池是Method Area的一部分，而Method Area属于非堆内存，那怎么能说常量池存在于堆中？

我认为，其实两种理解都没错。Method Area的确从逻辑上讲可以是Heap的一部分，在某些JVM实现里从堆上开辟一块存储空间来记录常量是符合JVM常量池设计目的的，所以前一种说法没问题。对于后一种说法，HotSpot JVM的实现中的确是把方法区划分为了非堆内存，意思就是它不在堆上。我在HotSpot JVM做了个简单的实验，定义多个常量之后，程序抛出OOM：PermGen Space异常，印证了JVM实现中常量池是在Permanent Space中的说法。但是，我的JDK版本是1.6的。查阅资料，JDK1.7中InternedStrings已经不再存储在PermanentSpace中，而是放到了Heap中；JDK8中PermanentSpace已经被完全移除，InternedStrings也被放到了MetaSpace中（如果出现内存溢出，会报OOM:MetaSpace，这里有个关于两者性能对比的文章：/article/7750617.html ）。 所以，仁者见仁，智者见智，一个馒头足以引发血案，就算是同一个商家的JVM，毕竟JDK版本在更新，或许正如StackOverFlow上大神们所说，对于理解JVM Runtime Data Area这一部分的划分逻辑，还是去看对应版本的JDK源码比较靠谱，或者是参考不同的版本JVM Specification（ http://docs.oracle.com/javase/specs/ ）。

2.4.5.Native Method Stack是供本地方法（非java）使用的栈。每个线程持有一个Native Method Stack。

3.JVM的运行原理简介

Java 程序被javac工具编译为.class字节码文件之后，我们执行java命令，该class文件便被JVM的Class Loader加载，可以看出JVM的启动是通过JAVA Path下的java.exe或者java进行的。JVM的初始化、运行到结束大概包括这么几步：

调用操作系统API判断系统的CPU架构，根据对应CPU类型寻找位于JRE目录下的/lib/jvm.cfg文件，然后通过该配置文件找到对应的jvm.dll文件（如果我们参数中有-server或者-client， 则加载对应参数所指定的jvm.dll，启动指定类型的JVM），初始化jvm.dll并且挂接到JNIENV结构的实例上，之后就可以通过JNIENV实例装载并且处理class文件了。class文件是字节码文件，它按照JVM的规范，定义了变量，方法等的详细信息，JVM管理并且分配对应的内存来执行程序，同时管理垃圾回收。直到程序结束，一种情况是JVM的所有非守护线程停止，一种情况是程序调用System.exit()，JVM的生命周期也结束。