一、JVM 運行流程

JVM 是 Java 程序的運行基礎和運行環(huán)境，同時也是 Java 實現(xiàn) "一次編譯，到處運行" 的關鍵所在。因此，深入了解 JVM 對于學習和理解 Java 編程語言是至關重要的，那么JVM 到底是如何運行的呢？

下面這張圖片展示了 JVM 的基本運行過程：

JVM的執(zhí)行過程涉及以下主要組成部分：：

1. Java 代碼轉換為字節(jié)碼（.class文件）：編寫完成后的 Java 源代碼需要通過 Java 編譯器編譯為字節(jié)碼，生成 .class 文件，這些文件包含了 Java 程序的中間代碼。

2. 類加載器（ClassLoader）：JVM 的類加載器負責將 .class 字節(jié)碼文件加載到內存中的運行時數(shù)據區(qū)。類加載器根據類的全限定名（Fully Qualified Name）查找并加載對應的字節(jié)碼文件，并根據文件內容創(chuàng)建 Class 對象來代表這個類，以供后續(xù)的執(zhí)行引擎調用。

3. 運行內存管理：JVM負責管理程序運行時的內存區(qū)域，主要包括以下幾個區(qū)域：

   • 虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）：用于存儲方法調用的棧幀，包含局部變量、操作數(shù)棧等。
   • 本地方法棧（Native Method Stacks）：用于執(zhí)行本地方法的棧。
   • 方法區(qū)（Method Area）：存儲類的結構信息、常量池、靜態(tài)變量等。
   • 堆（Heap）：存儲對象實例和數(shù)組的內存區(qū)域。
   • 程序計數(shù)器（Program Counter）：記錄當前線程執(zhí)行的字節(jié)碼指令的地址或索引。

4. 執(zhí)行引擎（Execution Engine）：執(zhí)行引擎是 JVM 的核心組件之一，負責執(zhí)行加載到內存中的字節(jié)碼文件。執(zhí)行引擎有兩種方式執(zhí)行字節(jié)碼：

   • 解釋執(zhí)行：逐條解釋字節(jié)碼指令并執(zhí)行相應的操作。解釋執(zhí)行效率較低，但跨平臺性好，適用于剛開始執(zhí)行的代碼段或是執(zhí)行次數(shù)較少的代碼段。
   • 編譯執(zhí)行：將字節(jié)碼編譯成特定平臺的本地代碼，然后交由CPU執(zhí)行。編譯執(zhí)行效率高，但需要額外的編譯時間，適用于執(zhí)行次數(shù)頻繁的代碼段。

5. 本地方法庫（Native Libraries）：JVM 中的 Java 代碼無法直接訪問底層操作系統(tǒng)，因為字節(jié)碼只是一套跨平臺的指令集規(guī)范。當 Java 代碼需要執(zhí)行底層操作系統(tǒng)或與本地代碼（如C、C++）進行交互的時候。就需要通過本地方法庫來實現(xiàn)這些功能。本地方法庫允許 Java 程序調用與操作系統(tǒng)相關的本地代碼，從而實現(xiàn)整個程序的功能。

以上就是 JVM 的主要運行過程以及運行時涉及的組成部分，下文是對其中的運行時數(shù)據區(qū)的詳細介紹。

二、虛擬機棧（線程私有）

虛擬機棧是 Java 線程私有的內存區(qū)域，用于存儲線程的方法調用和局部變量等信息。虛擬機棧的生命周期和線程相同，虛擬機棧描述的是 Java 方法執(zhí)行的內存模型：

• 每個方法在執(zhí)行的時候都會創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame）用于存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。
• 當方法結束的時候，響應的棧幀也會因為出棧而銷毀。

虛擬機棧主要包含四個部分：

1. 局部變量表：用于存儲方法的局部變量。在Java方法執(zhí)行時，它會分配一塊內存區(qū)域，用于存儲方法參數(shù)和方法內部定義的局部變量。局部變量表的大小在編譯期間就被確定，存儲的數(shù)據類型包括基本數(shù)據類型和對象引用。
2. 操作棧：用于執(zhí)行方法時的計算操作。Java虛擬機的字節(jié)碼指令通常都是基于操作數(shù)棧進行運算的。當一個方法被調用時，會將參數(shù)值和返回值等壓入操作數(shù)棧，在方法執(zhí)行時，字節(jié)碼指令會從操作數(shù)棧中取值進行計算。
3. 動態(tài)鏈接：用于指向運行時常量池中該棧幀所屬方法的引用。在Java虛擬機的運行時常量池中，存放著每個類的方法的符號引用，動態(tài)鏈接將這些符號引用與實際內存地址進行關聯(lián)。
4. 方法返回地址：用于指示方法的返回地址。當方法執(zhí)行完成后，需要知道從哪里繼續(xù)執(zhí)行，方法返回地址就是用來記錄返回的目標地址。

什么是線程私有：

• 線程私有是指在多線程環(huán)境下，每個線程都擁有自己獨立的內存區(qū)域，其他線程無法直接訪問或修改該區(qū)域。線程私有內存中的數(shù)據對于每個線程都是獨立的，互不影響。這種設計使得多線程程序可以同時執(zhí)行，每個線程都能夠獨立地運行和維護自己的數(shù)據。
• 在JVM中，虛擬機棧、本地方法棧和程序計數(shù)器是線程私有的內存區(qū)域。每個線程都有自己的虛擬機棧和本地方法棧，用于支持方法調用和執(zhí)行，并且這些棧的數(shù)據對其他線程是不可見的。程序計數(shù)器也是線程私有的，每個線程都有自己的程序計數(shù)器，用于指示當前線程執(zhí)行的字節(jié)碼指令的地址或索引。線程的切換時，會保存和恢復程序計數(shù)器的值，以保證線程切換后能正確繼續(xù)執(zhí)行。
• 其他共享內存區(qū)域如堆和方法區(qū)（元空間）是線程共享的。堆用于存儲Java對象實例和數(shù)組，方法區(qū)用于存儲類的結構信息、常量池、靜態(tài)變量等。多個線程可以共同訪問堆和方法區(qū)的數(shù)據，因此在多線程環(huán)境下，需要通過同步機制來保護共享數(shù)據的一致性和正確性。
• 內存區(qū)域按線程私有和共享的劃分：
  

三、本地方法棧 （線程私有）

本地方法棧與虛擬機棧類似，也是 Java 線程私有的內存區(qū)域。它用于支持 Java 程序調用和執(zhí)行本地方法（Native Method）。本地方法是使用其他語言（如C、C++）編寫的方法，通過本地方法接口（JNI，Java Native Interface）與 Java 代碼進行交互。本地方法棧和虛擬機棧在功能上也是類似的，但它們分別用于 Java 方法和本地方法的調用。

四、方法區(qū)（元數(shù)據區(qū)）

方法區(qū)是 Java 線程共享的內存區(qū)域，用于存儲類的結構信息、常量池、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等。在 JDK 8 及以前版本，方法區(qū)是永久代（Permanent Generation）；而在 JDK 8 及以后版本，方法區(qū)被替換為元空間（Metaspace）。方法區(qū)的大小可以通過啟動JVM 時的參數(shù)來設置。

在《Java虛擬機規(guī)范中》把此區(qū)域稱之為 “方法區(qū)”，而在 HotSpot 虛擬機的實現(xiàn)中，在 JDK 7 時此區(qū)域叫做永久代（Permanent Generation），JDK 8 中叫做元空間（Metaspace）。

JDK 1.8 元空間的變化：

1. 對于 HotSpot 來說，JDK 8 元空間的內存屬于本地內存，這樣元空間的大小就不在受 JVM 最大內存的參數(shù)影響了，而是與本地內存的大小有關。
2. JDK 8 中將字符串常量池移動到了堆中。

運行時常量池：

運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區(qū)的一部分，用于存放在編譯期間生成的各種字面量和符號引用。它是在類加載過程中，由虛擬機根據字節(jié)碼文件中的常量池表構建而成。

在運行時常量池中，主要包含兩種類型的數(shù)據：

1. 字面量：

   • 字符串字面量：即Java程序中直接寫的字符串值，例如：“Hello, Java”。在JDK 8中，字符串字面量被移動到堆中，這樣它們也可以被垃圾收集器回收，避免了一些內存問題。
   • final常量：在編譯期間可以確定的final常量，例如：final int MAX_VALUE = 100;。
   • 基本數(shù)據類型的值：例如：整數(shù)、浮點數(shù)、字符等基本數(shù)據類型的字面量。

2. 符號引用：
   符號引用是一種在編譯期間產生的、但在類加載階段需要用到的一種數(shù)據結構，它用于描述被引用的目標。符號引用包括：

   • 類和接口的完全限定名：例如：java.lang.String。
   • 字段的名稱和描述符：用于描述字段的名稱和數(shù)據類型，例如：int count。
   • 方法的名稱和描述符：用于描述方法的名稱和參數(shù)列表以及返回值類型，例如：void print(String message)。

運行時常量池在類加載后，會存放在方法區(qū)中，并且在整個類的生命周期中存在，與類本身一起被回收。它在程序運行時提供了常量池解析、動態(tài)鏈接、方法調用等功能，為 Java 程序的執(zhí)行提供了必要的支持。

五、堆（線程共享）

堆（Heap）是 Java 虛擬機中的一個運行時數(shù)據區(qū)域，用于存儲Java對象實例和數(shù)組。堆是JVM中最大的一塊內存區(qū)域，也是唯一被所有線程共享的內存區(qū)域。

在Java程序運行過程中，當使用new關鍵字創(chuàng)建對象時，對象實例會被分配在堆中。同時，數(shù)組也是對象，因此數(shù)組的元素也會存儲在堆中。堆的大小可以在啟動 JVM 時通過參數(shù)來指定，也可以動態(tài)調整（如果未指定大小，則JVM會根據系統(tǒng)內存自動設置初始大?。?。

堆的主要特點包括：

1. 線程共享：堆是所有線程共享的內存區(qū)域。所有線程都可以訪問堆中的對象實例，這使得多個線程可以共同操作和共享對象。

2. 動態(tài)分配和回收：堆的大小在程序運行時是可以動態(tài)調整的。當創(chuàng)建對象時，JVM會自動分配堆中的內存空間。當對象不再被引用時，垃圾收集器會自動回收堆中不再使用的對象的內存。

3. 垃圾回收：堆中的內存由垃圾收集器負責管理。垃圾收集器會周期性地檢查堆中的對象，將不再被引用的對象標記為垃圾，然后回收這些垃圾對象的內存，釋放給堆供其他對象使用。

4. 自動內存管理：Java 中的堆內存由 JVM 自動進行內存管理，程序員不需要手動釋放內存。JVM 會自動進行垃圾回收，釋放不再使用的內存，避免了內存泄漏等問題。

另外，在Java虛擬機的堆內存中，通常被劃分為兩個主要區(qū)域：新生代（Young Generation）和老生代（Old Generation）。

1. 新生代（Young Generation）：
   新生代是存放新創(chuàng)建的對象的區(qū)域。在新生代中，通常會將堆內存劃分為一個Eden空間和兩個Survivor空間（通常稱為S0和S1）。新創(chuàng)建的對象首先會被分配到Eden空間。當Eden空間滿時，會觸發(fā)Minor GC（Young GC），垃圾回收器會將Eden空間和其中還存活的對象復制到一個未使用的Survivor空間中。然后，垃圾回收器會清除Eden空間和正在使用的Survivor空間，將其中的垃圾對象回收。幸存下來的對象會被晉升到老生代。

2. 老生代（Old Generation）：
   老生代是存放長時間存活的對象的區(qū)域。老生代中存放的對象通常是在新生代經過一定次數(shù)的Minor GC后仍然存活的對象，或者是大對象等。當老生代空間滿時，會觸發(fā)Major GC（Full GC），垃圾回收器會對整個堆進行回收，包括新生代和老生代的所有對象。

通過將堆內存分為新生代和老生代，并采用不同的垃圾回收策略，可以提高垃圾回收的效率。新生代中的Minor GC頻繁進行，回收生命周期短的對象，盡可能快速地釋放內存；而老生代中的Major GC則相對較少進行，回收生命周期長的對象，保證了老生代的穩(wěn)定性和可靠性。

六、程序計數(shù)器（線程私有）

程序計數(shù)器也是 Java 線程私有的內存區(qū)域。它是一種指示器，用于指示當前線程執(zhí)行的字節(jié)碼指令的地址或索引。在Java線程切換時，程序計數(shù)器的值會被保存和恢復，以保證線程切換后能正確繼續(xù)執(zhí)行。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-622227.html

到了這里，關于【JVM】（一）深入理解JVM運行時數(shù)據區(qū)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內容，請在右上角搜索TOY模板網以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網！