深入理解Java虚拟机系列(1)——什么叫做JVM与JVM规范

引言

       (1)内存管理一直是JAVA语言自豪与骄傲的资本,它让JAVA程序员基本上可以彻底忽略与内存管理相关的细节,只专注于业务逻辑。不过世界上不存在十全十美的好事,在带来了便利的同时,也因此引入了很多令人抓狂的内存溢出和泄露的问题。

   (2)可怕的事情还不只如此,有些使用其它语言开发的程序员,给JAVA程序员扣上了一个“不懂内存”的帽子,这着实有点让人难以接受。毕竟JAVA当中没有malloc和delete、没有析构函数、没有指针,刚开始接触JAVA的程序员们又怎么可能接触内存这一部分呢,更何况有不少JAVA程序员还是跳了专业半路出家的朋友。

   (3)不过事实尽管难以接受,但也确实有不少JAVA程序员对内存这部分可谓一窍不知,尽管掌握内存的相关知识,或许并不能给平时的开发带来翻天覆地的变化和好处,不过它仍然会潜移默化的提高你的技术水准,这一点在了解完内存管理之后,相信各位就会深有体会了。

   上面这个几句话着实写得不错,内容的引进来自左箫龙先生笔下的《Java语言的内存管理概述》,有兴趣的朋友可以前往笔者的文章,很多都写得不错。

Java虚拟机规范跟Java虚拟机

     (1)虚拟机是一种抽象的计算机,通过从实际的计算机中仿真模拟各种计算机功能来实现的。JAVA虚拟机规范是一种对JAVA虚拟机实现的规范要求,是由oracle制定的,而我们平时常说的JAVA虚拟机一般是指的一种具体的JAVA虚拟机规范的实现。比如我们最经常使用的JAVA虚拟机hotspot,其实JAVA虚拟机还有很多种实现,甚至如果你对JAVA虚拟机规范有了深入的了解而且对此有兴趣的话,可以写一个自己的JAVA虚拟机,当然这其中的难度不难想象。Java虚拟机有自己完善的硬体架构,如处理器堆栈寄存器等,还具有相应的指令系统。JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息,使得Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码(字节码),就可以在多种平台上不加修改地运行。

  (2)JVM是Java程序运行的环境,同时是一个操作系统的一个应用程序进程,因此它有自己的生命周期,也有己的代码和数据空间。

  (3)JVM体系主要是两个JVM的内部体系结构分为三个子系统和两大组件,分别是:类装载(ClassLoader)子系统、执行引擎子系统和GC子系统,组件是内存运行数据区域和本地接口。

从进程的角度解释JVM

    让我们尝试从操作系统的层面来理解虚拟机。我们知道,虚拟机是运行在操作系统之中的,那么什么东西才能在操作系统中运行呢?当然是进程,因为进程是操作系统中的执行单位。可以这样理解,当它在运行的时候,它就是一个操作系统中的进程实例,当它没有在运行时(作为可执行文件存放于文件系统中),可以把它叫做程序。

对命令行比较熟悉的同学,都知道其实一个命令对应一个可执行的二进制文件,当敲下这个命令并且回车后,就会创建一个进程,加载对应的可执行文件到进程的地址空间中,并且执行其中的指令。下面对比C语言和Java语言的HelloWorld程序来说明问题。

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
  
int main(void) {  
    printf("hello world\n");  
    return 0;  
}  

编译C语言版的HelloWorld程序
gcc HelloWorld.c -o HelloWorld
运行C语言版的HelloWorld程序
./HelloWorld   

gcc编译器编译后的文件直接就是可被操作系统识别的二进制可执行文件,当我们在命令行中敲下 ./HelloWorld这条命令的时候, 直接创建一个进程, 并且将可执行文件加载到进程的地址空间中, 执行文件中的指令。

public class HelloWorld {  
  
    public static void main(String[] args) {  
        System.out.println("HelloWorld");  
    }  
} 

编译Java版的HelloWorld程序
javac HelloWorld.java 
运行Java版的HelloWorld程序
java -classpath . HelloWorld  
我们在运行Java版的HelloWorld程序的时候, 敲入的命令并不是 ./HelloWorld.class 。 因为class文件并不是可以直接被操作系统识别的二进制可执行文件 。 

我们敲入的是java这个命令。 这个命令说明, 我们首先启动的是一个叫做java的程序, 这个java程序在运行起来之后就是一个JVM进程实例。 

上面的命令执行流程是这样的:

    java命令首先启动虚拟机进程,虚拟机进程成功启动后,读取参数HelloWorld”,把他作为初始类加载到内存,对这个类进行初始化和动态链接,然后从这个类的main方法开始执行。也就是说我们的.class文件不是直接被系统加载后直接在cpu上执行的,而是被一个叫做虚拟机的进程托管的。首先必须虚拟机进程启动就绪,然后由虚拟机中的类加载器加载必要的class文件,包括jdk中的基础类(如StringObject等),然后由虚拟机进程解释class字节码指令,把这些字节码指令翻译成本机cpu能够识别的指令,才能在cpu上运行。 从这个层面上来看,在执行一个所谓的java程序的时候,真真正正在执行的是一个叫做Java虚拟机的进程,而不是我们写的一个个的class文件。这个叫做虚拟机的进程处理一些底层的操作,比如内存的分配和释放等等。我们编写的class文件只是虚拟机进程执行时需要的“原料”。这些“原料”在运行时被加载到虚拟机中,被虚拟机解释执行,以控制虚拟机实现我们java代码中所定义的一些相对高层的操作,比如创建一个文件等,可以将class文件中的信息看做对虚拟机的控制信息,也就是一种虚拟指令。

虚拟机的三个主要功能系统

类加载器子系统:

    这个子系统用来在运行时根据需要加载类。在Java虚拟机执行过程中,只有他需要一个类的时候,才会调用类加载器来加载这个类,并不会在开始运行时加载所有的类。就像一个人,只有饿的时候才去吃饭,而不是一次把一年的饭都吃到肚子里。一般来说,虚拟机加载类的时机,在第一次使用一个新的类的时候。

执行引擎子系统:

    由虚拟机加载的类,被加载到Java虚拟机内存中之后,虚拟机会读取并执行它里面存在的字节码指令。虚拟机中执行字节码指令的部分叫做执行引擎。

 垃圾收集子系统:

    Java虚拟机会进行自动内存管理。具体说来就是自动释放没有用的对象,而不需要程序员编写代码来释放分配的内存。这部分工作由垃圾收集子系统负责

虚拟机的内存结构

    虚拟机的运行,必须加载class文件,并且执行class文件中的字节码指令。它做这么多事情,必须需要自己的空间。

    加载的字节码,需要一个单独的内存空间来存放;

    线程的执行,也需要内存空间来维护方法的调用关系;

    存放方法中的数据和中间计算结果;

    创建对象,创建的对象需要一个专门的内存空间来存放。

1、程序计数器:(线程私有)

    每个线程拥有一个程序计数器,在线程创建时创建,指向下一条指令的地址执行本地方法时,其值为undefined。

说的通俗一点,我们知道,Java是支持多线程的,程序先去执行A线程,执行到一半,然后就去执行B线程,然后又跑回来接着执行A线程,那程序是怎么记住A线程已经执行到哪里了呢?这就需要程序计数器了。因此,为了线程切换后能够恢复到正确的执行位置,每条线程都有一个独立的程序计数器,这块儿属于“线程私有”的内存。

2、Java虚拟机栈:(线程私有)

每个方法被调用的时候都会创建一个栈帧,用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。局部变量表存放的是:编译期可知的基本数据类型、对象引用类型。

    每个方法被调用直到执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。

在Java虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常情况:

  (1)如果线程请求的栈深度太深,超出了虚拟机所允许的深度,就会出现StackOverFlowError(比如无限递归。因为每一层栈帧都占用一定空间,而 Xss 规定了栈的最大空间,超出这个值就会报错)

  (2)虚拟机栈可以动态扩展,如果扩展到无法申请足够的内存空间,会出现OOM

3、本地方法栈:

(1)本地方法栈与java虚拟机栈作用非常类似,其区别是:java虚拟机栈是为虚拟机执行java方法服务的,而本地方法栈则为虚拟机执使用到的Native方法服务

(2)Java虚拟机没有对本地方法栈的使用和数据结构做强制规定,Sun HotSpot虚拟机就把java虚拟机栈和本地方法栈合二为一。

(3)本地方法栈也会抛出StackOverFlowError和OutOfMemoryError。

4、Java堆:即堆内存(线程共享)

(1)堆是java虚拟机所管理的内存区域中最大的一块,java堆是被所有线程共享的内存区域,在java虚拟机启动时创建,堆内存的唯一目的就是存放对象实例几乎所有的对象实例都在堆内存分配。

(2)堆是GC管理的主要区域,从垃圾回收的角度看,由于现在的垃圾收集器都是采用的分代收集算法,因此java堆还可以初步细分为新生代和老年代

(3)Java虚拟机规定,堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上连续的即可。在实现上既可以是固定的,也可以是可动态扩展的。如果在堆内存没有完成实例分配,并且堆大小也无法扩展,就会抛出OutOfMemoryError异常。

5、方法区:(线程共享)

(1)用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

(2)Sun HotSpot虚拟机把方法区叫做永久代(Permanent Generation),方法区中最重要的部分是运行时常量池。

6、运行时常量池:

(1)运行时常量池是方法区的一部分,自然受到方法区内存的限制,当常量池无法再申请到内存时就会抛出OutOfMemoryError异常。 

    原文作者:java虚拟机
    原文地址: https://blog.csdn.net/milhua/article/details/80533486
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