這里給大家介紹一下Java虛擬機(jī)，這也并不是三言兩語(yǔ)能夠介紹完的,，因此開(kāi)了Java虛擬機(jī)系列,，這一篇文章我們來(lái)學(xué)習(xí)Java虛擬機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域,。

1.Java虛擬機(jī)概述

Oracle官方定義的Java技術(shù)體系主要包括以下幾個(gè)部分：

• Java程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

• 各種平臺(tái)的Java虛擬機(jī)

• Class文件格式

• Java API類庫(kù)

• 第三方Java類庫(kù)

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可以把Java程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,、Java虛擬機(jī)和Java API類庫(kù)這三部分統(tǒng)稱為JDK（Java Development Kit），它是Java程序開(kāi)發(fā)的最小環(huán)境,。另外,，Java API中的Java SE API子集和Java虛擬機(jī)這兩部分統(tǒng)稱為JRE（Java Runtime Environment），它是Java程序運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境,。

從上面可以看出Java虛擬機(jī)及其重要,，它是整個(gè)Java平臺(tái)的基石，是Java語(yǔ)言編譯代碼的運(yùn)行平臺(tái),。你可以把Java虛擬機(jī)看做一個(gè)抽象的計(jì)算機(jī),，它有各種指令集和各種運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域。

1.1 Java虛擬機(jī)家族

很多同學(xué)可能認(rèn)為Java虛擬機(jī),，就是一個(gè)虛擬機(jī)而已,，它還有家族？或者認(rèn)為Java虛擬機(jī)指的就是Oracle的HotSpot虛擬機(jī),。這里來(lái)簡(jiǎn)單介紹Java虛擬機(jī)家族,，自從1996年Sun公司發(fā)布的JDK1.0中包含的Sun Classic VM到今天，出現(xiàn)和消亡了很多種虛擬機(jī),，我們這里只簡(jiǎn)單介紹目前存活的相對(duì)主流Java虛擬機(jī),。

HotSpot VM

Oracle JDK和OpenJDK中自帶的虛擬機(jī)，是最主流的和使用范圍最廣的Java虛擬機(jī),。介紹Java虛擬機(jī)的技術(shù)文章,，如果不做特殊說(shuō)明，大部分都是介紹HotSpot VM的,。HotSpot VM并非是Sun公司開(kāi)發(fā)的,，而是由Longview Technologies這家小公司設(shè)計(jì)的，它在1997年被Sun公司收購(gòu),，Sun公司又在2009年被Oracle收購(gòu),。

J9 VM

J9 VM 是IBM開(kāi)發(fā)的VM，目前是其主力發(fā)展的Java虛擬機(jī),。J9 VM的市場(chǎng)定位和HotSpot VM接近,，它是一款設(shè)計(jì)上從服務(wù)端到桌面應(yīng)用再到嵌入式都考慮到的多用途虛擬機(jī)，目前J9 VM的性能水平大致跟HotSpot VM是一個(gè)檔次的,。

Zing VM

以Oracle的HotSpot VM為基礎(chǔ),，改進(jìn)了許多會(huì)影響延遲的細(xì)節(jié),。最大的三個(gè)賣點(diǎn)是：

• 1.低延遲，“無(wú)暫?！钡腃4 GC,，GC帶來(lái)的暫停可以控制在10ms以下的級(jí)別,，支持的Java堆大小可以到1TB,；

• 2.啟動(dòng)后快速預(yù)熱功能。

• 3.可管理性：零開(kāi)銷,、可在生產(chǎn)環(huán)境全時(shí)開(kāi)啟的,、整合在JVM內(nèi)的監(jiān)控工具Zing Vision。

1.2 Java虛擬機(jī)執(zhí)行流程

當(dāng)我們執(zhí)行一個(gè)Java程序時(shí),，它的執(zhí)行流程是怎樣的呢,？如下圖所示。

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從上圖可以看到Java虛擬機(jī)與java語(yǔ)言沒(méi)有什么必然聯(lián)系，它只與特定的二進(jìn)制文件：Class文件有關(guān),。

2.Java虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)

這里所講的體系結(jié)構(gòu),，是指的Java虛擬機(jī)的抽象行為，而不是具體的比如HotSpot VM的實(shí)現(xiàn),。按照J(rèn)ava虛擬機(jī)規(guī)范,，抽象的Java虛擬機(jī)如下圖所示。

2.1 Class文件格式

Java文件被編譯后生成了Class文件,，這種二進(jìn)制格式文件不依賴于特定的硬件和操作系統(tǒng),。每一個(gè)Class文件中都對(duì)應(yīng)著唯一一個(gè)類或者接口的的定義信息，但是類或者接口并不一定定義在文件中,，比如類和接口可以通過(guò)類加載器來(lái)直接生成,。

ClassFile的文件結(jié)構(gòu)如下所示。

ClassFile {

2.2 類加載器子系統(tǒng)

類加載器子系統(tǒng)通過(guò)多種類加載器來(lái)查找和加載Class文件到 Java 虛擬機(jī)中,。Java虛擬機(jī)有兩種類加載器：系統(tǒng)加載器和用戶自定義加載器,。其中系統(tǒng)加載器包括以下三種：

• 引導(dǎo)類加載器（Bootstrap Class Loader）：用C/C++代碼實(shí)現(xiàn)的加載器，用以加載Java虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)所需要的系統(tǒng)類,，這些系統(tǒng)類在{JRE_HOME}/lib目錄下,。Java虛擬機(jī)的啟動(dòng)就是通過(guò)引導(dǎo)類加載器創(chuàng)建一個(gè)初始類來(lái)完成的。由于類加載器是使用平臺(tái)相關(guān)的底層C/C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的,， 所以該加載器不能被Java代碼訪問(wèn)到,。但是，我們可以查詢某個(gè)類是否被引導(dǎo)類加載器加載過(guò),。引導(dǎo)類裝載器并不繼承java.lang.ClassLoader,。

• 擴(kuò)展類加載器（Extensions Class Loader）：用于加載 Java 的拓展類 ，拓展類一般會(huì)放在 {JRE_HOME}/lib/ext/ 目錄下,，用來(lái)提供除了系統(tǒng)類之外的額外功能,。

• 應(yīng)用程序類加載器（Application Class Loader）：該類加載器是用于加載用戶代碼，是用戶代碼的入口,。應(yīng)用類加載器將拓展類加載器當(dāng)成自己的父類加載器,，當(dāng)嘗試加載類的時(shí)候，首先嘗試讓拓展類加載器加載,，如果拓展類加載器加載成功,，則直接返回加載結(jié)果Class instance，如果加載失敗,，則會(huì)詢問(wèn)引導(dǎo)類加載器是否已經(jīng)加載了該類,，如果沒(méi)有，應(yīng)用類加載器才會(huì)嘗試自己加載,。

用戶自定義加載器,，則是通過(guò)繼承 java.lang.ClassLoader類的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的類加載器。

類加載器子系統(tǒng)除了要加載Class文件類到 Java 虛擬機(jī)中,，還必須負(fù)責(zé)驗(yàn)證被導(dǎo)入的Class類的正確性,，為類變量分配并初始化內(nèi)存，以及幫助解析符號(hào)引用,。這些動(dòng)作必須嚴(yán)格按以下順序進(jìn)行：

1.裝載：查找并加載Class文件,。

2.鏈接：驗(yàn)證、準(zhǔn)備,、以及解析,。

• 驗(yàn)證：確保被導(dǎo)入類型的正確性。

• 準(zhǔn)備：為類的靜態(tài)字段分配字段,，并用默認(rèn)值初始化這些字段,。

• 解析：根據(jù)運(yùn)行時(shí)常量池的符號(hào)引用來(lái)動(dòng)態(tài)決定具體值得過(guò)程。

3.初始化：將類變量初始化為正確初始值,。

2.3 數(shù)據(jù)類型

Java虛擬機(jī)與Java語(yǔ)言的數(shù)據(jù)類型相似,，可以分為兩類：基本類型和引用類型。Java虛擬機(jī)希望編譯器在編譯期間盡可能的完成類型檢查,，使得虛擬機(jī)在運(yùn)行期間無(wú)需進(jìn)行類型檢查操作,。

2.4 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域

很多人將Java的內(nèi)存分為堆內(nèi)存（heap）和棧內(nèi)存（Stack），這種分發(fā)不夠準(zhǔn)確，Java的內(nèi)存區(qū)域劃分實(shí)際上遠(yuǎn)比這復(fù)雜,。

Java虛擬機(jī)在執(zhí)行Java程序的過(guò)程中會(huì)把它所管理的內(nèi)存劃分為不同的數(shù)據(jù)區(qū)域,，根據(jù)《Java虛擬機(jī)規(guī)范（Java SE7版）》的規(guī)定，這些數(shù)據(jù)區(qū)域分別為程序計(jì)數(shù)器,、Java虛擬機(jī)棧,、本地方法棧、Java堆和方法區(qū),，下面我們來(lái)一一的對(duì)它們進(jìn)行介紹,。

2.4.1 程序計(jì)數(shù)器

為了保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去，處理器必須具有某些手段來(lái)確定下一條指令的地址,，而程序計(jì)數(shù)器正是起到這種作用,。了解更多Java知識(shí)，獲取原視頻,，源碼,，學(xué)習(xí)交流，那就加入小編的學(xué)習(xí)交流群吧,！616 959 444

程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）也叫做PC寄存器,，是一塊較小的內(nèi)存空間。在虛擬機(jī)概念模型中,，字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過(guò)改變程序計(jì)數(shù)器來(lái)選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令,，Java虛擬機(jī)的多線程是通過(guò)輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在一個(gè)確定的時(shí)刻只有一個(gè)處理器執(zhí)行一條線程中的指令,，為了在線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置,，每個(gè)線程都會(huì)有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，因此,，程序計(jì)數(shù)器是線程私有的,。如果線程執(zhí)行的方法不是Native方法，則程序計(jì)數(shù)器保存正在執(zhí)行的字節(jié)碼指令地址,，如果是Native方法則程序計(jì)數(shù)器的值則為空（Undefined）,。程序計(jì)數(shù)器是Java虛擬機(jī)規(guī)范中唯一沒(méi)有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的數(shù)據(jù)區(qū)域。

2.4.2 Java虛擬機(jī)棧

每一條Java虛擬機(jī)線程都有一個(gè)線程私有的Java虛擬機(jī)棧（Java Virtual Machine Stacks),。它的生命周期與線程相同,，與線程是同時(shí)創(chuàng)建的。Java虛擬機(jī)棧存儲(chǔ)線程中Java方法調(diào)用的狀態(tài),，包括局部變量,、參數(shù)、返回值以及運(yùn)算的中間結(jié)果等,。一個(gè)Java虛擬機(jī)棧包含了多個(gè)棧幀,，一個(gè)棧幀用來(lái)存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接,、方法出口等信息,。當(dāng)線程調(diào)用一個(gè)Java方法時(shí)，虛擬機(jī)壓入一個(gè)新的棧幀到該線程的Java棧中,，當(dāng)該方法執(zhí)行完成,，這個(gè)棧幀就從Java棧中彈出,。我們平常所說(shuō)的棧內(nèi)存（Stack）指的就是Java虛擬機(jī)棧,。

Java虛擬機(jī)規(guī)范中定義了兩種異常情況：

• 如果線程請(qǐng)求分配的棧容量超過(guò)Java虛擬機(jī)所允許的的最大容量，Java虛擬機(jī)會(huì)拋出StackOverflowError,。

• 如果Java虛擬機(jī)?？梢詣?dòng)態(tài)擴(kuò)展（大部分Java虛擬機(jī)都可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展），但是擴(kuò)展時(shí)無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存,，或者在創(chuàng)建新的線程時(shí)沒(méi)有足夠的內(nèi)存去創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的Java虛擬機(jī)棧,，則會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

2.4.3 本地方法棧

Java虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)可能要用到C Stacks來(lái)支持Native語(yǔ)言,，這個(gè)C Stacks就是本地方法棧（Native Method Stack）,。它與Java虛擬機(jī)棧類似，只不過(guò)本地方法棧是用來(lái)支持Native方法服務(wù),。如果Java虛擬機(jī)不支持Native方法,，并且也不依賴于C Stacks，可以無(wú)需支持本地方法棧,。在Java虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)本地方法棧的語(yǔ)言和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等沒(méi)有強(qiáng)制規(guī)定,，因此具體的Java虛擬機(jī)可以自由實(shí)現(xiàn)它，比如HotSpot VM將本地方法棧和Java虛擬機(jī)棧合二為一,。

與Java虛擬機(jī)棧類似,，本地方法棧也會(huì)拋出 StackOverflowError和OutOfMemoryError異常

2.4.4 Java堆

Java堆（Java Heap）是被所有線程共享的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)域。Java堆用來(lái)存放對(duì)象實(shí)例,，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存,。Java堆存儲(chǔ)的對(duì)象被垃圾收集器管理，這些受管理的對(duì)象無(wú)需也無(wú)法顯示的銷毀,。從內(nèi)存回收的角度,，Java堆可以粗略的分為新生代和老年代。從內(nèi)存分配的角度Java堆中可能劃分出多個(gè)線程私有的分配緩沖區(qū),。不管如何劃分,，Java堆存儲(chǔ)的內(nèi)容是不變的，進(jìn)行劃分是為了能更快的回收或者分配內(nèi)存,。

Java堆的容量可以時(shí)固定的,，也可以動(dòng)態(tài)的擴(kuò)展。Java堆的所使用的內(nèi)存在物理上不需要連續(xù)，邏輯上連續(xù)即可,。

Java虛擬機(jī)規(guī)范中定義了一種異常情況：

• 如果在堆中沒(méi)有足夠的內(nèi)存來(lái)完成實(shí)例分配,，并且堆也無(wú)法進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，則會(huì)拋出OutOfMemoryError異常,。

2.4.5 方法區(qū)

方法區(qū)（Method Area）是被所有線程共享的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)域,。用來(lái)存儲(chǔ)已經(jīng)被Java虛擬機(jī)加載的類的結(jié)構(gòu)信息，包括：

運(yùn)行時(shí)常量池,、字段和方法信息,、靜態(tài)變量等數(shù)據(jù)。方法區(qū)是Java堆的邏輯組成部分,，它一樣在物理上不需要連續(xù),，并且可以選擇在方法區(qū)中不實(shí)現(xiàn)垃圾收集。方法區(qū)并不等同于永久代,，只是因?yàn)?span>HotSpot VM使用永久代來(lái)實(shí)現(xiàn)方法區(qū),，對(duì)于其他的Java虛擬機(jī)，比如J9和JRockit等,，并不存在永久代概念,。

Java虛擬機(jī)規(guī)范中定義了一種異常情況：

• 如果方法區(qū)的內(nèi)存空間不滿足內(nèi)存分配需求時(shí)，Java虛擬機(jī)會(huì)拋出OutOfMemoryError異常,。

運(yùn)行時(shí)常量池

運(yùn)行時(shí)常量池（Runtime Constant Pool）是方法區(qū)的一部分,。在2.1 Class文件格式這一小節(jié)中我們得知，Class文件不僅包含了類的版本,、接口,、字段和方法等信息，還包含了常量池,，它用來(lái)存放編譯時(shí)期生成的字面量和符號(hào)引用,，這些內(nèi)容會(huì)在類加載后存放在方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中。運(yùn)行時(shí)常量池可以理解為是類或接口的常量池的運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)形式,。了解更多Java知識(shí),，獲取原視頻，源碼,，學(xué)習(xí)交流,，那就加入小編的學(xué)習(xí)交流群吧！616 959 444

Java虛擬機(jī)規(guī)范中定義了一種異常情況：

當(dāng)創(chuàng)建類或接口時(shí),，如果構(gòu)造運(yùn)行時(shí)常量池所需的內(nèi)存超過(guò)了方法區(qū)所能提供的最大值,，Java虛擬機(jī)會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。