JVM（一）：JVM体系结构详解

JVM简介
       JVM是Java程序得以运行的平台，也是Java程序可以跨平台的底层支撑，从整体上来看，JVM的主要功能可以分为加载和执行两大块。其中类加载器负责.class文件的寻址与加载，执行引擎负责字节码指令执行及内存的管理等等。下面是JVM一个经典的体系结构图

类加载系统：关于类加载体系的详细说明在另一博客https://blog.csdn.net/w1673492580/article/details/81838835

运行时数据区
宏观角度：
        从宏观角度来看，JVM运行时数据区的各部分划分很明显，方法区用于存储类数据，堆用于存储Java程序在运行过程中创建的所有对象，栈和PC寄存器属于线程独有，栈代表线程执行过程中所有方法调用信息（比如比如入参、局部变量、中间结果，返回信息等等），PC寄存器即计数器，代表指令在主存中的地址，每执行一条指令后PC+1，即指向下一条指令。本地方法栈即通过Java调用本地方法时的相关信息，但与调用Java方法不一样，调用Java方法时JVM会当前Java栈中压入一个新的栈桢，而调用本地方法则不会修改Java栈，从这个角度看，本地方法栈可以理解成JVM运行时数据区的一个扩展。

微观角度：
堆：Java程序在运行过程中（加载也是运行的一部分）创建的所有对象都位于堆内存中，且JVM中堆内存在设计上是多线程共享的，所以堆中数据的访问也必须进行安全控制；
       由于运行期间很可能会创建大量的对象，而且大部分对象都是小而短的（占用空间小及生命周期短），所以堆内存的管理也尤其重要，但JVM中并没有释放对象的指令，这表示开发中不能通过代码去管理对象的释放，所以JVM内置了垃圾回收器来管理，堆也是垃圾回收主要集中的地方（对于栈由于栈桢的大小可以在编译期就根据类结构数据确定，所以这部分的回收具有一定的确定性）。
      在Java代码中，通过obj.getClass()获取对象所属的类，也可以通过new  ClassName()创建一个对象。这是因为在JVM中对象数据包含了一个指向方法区中对应类型信息的指针，可以通过该指针获取对应类信息。反过来JVM也可以根据方法区中类信息创建该类对象，甚至知道该类对象应该占用多少空间（但实际分配大小依赖于JVM实现）。同样通过class.getClassLoader()可以获取当前类加载器也是同样的原理。
       还有个比较有意思的就是对象锁synchronized(obj)，Java中每个对象都可以作为锁，同样也是因为对象本身包含了一个指向锁数据的指针，但由于绝大部分对象的锁都用不到，所以大部分JVM的实现，都只在第一个线程尝试获取对象锁时，才给该对象分配对应的锁数据。
      关于堆空间本身的设计依赖具体的实现，下面是两种完全不同的可能设计，第一种把堆内存划分为句柄池和对象池两部分，对对象的引用指向句柄池，句柄池中每个元素又由两部分组成，一个指向方法区中的存放类数据的地址，一个指向对象池中的对象。这样的优势体现在，当垃圾回收器 回收内存并重新划分导致对象内存地址发生变化时，不需要更新所有引用的指向，而只需要更新句柄池中指向对象的指针，缺点就是中间需要额外经过一次查找。

第二种设计引用直接指向堆中的对象，这样的优缺点和第一种设计刚好相反，不需要额外的查找，但对象地址发生变化时，需要更新所有引用。

方法区：方法区在设计上也是所有线程共享，主要存储类相关信息（如字段/方法信息、常量池信息、对当前ClassLoader和Class的引用等等），在JVM加载某个类时，会抽取出对应.class文件中类相关的信息并以某种结构（依赖于JVM实现）存到方法区中，当程序运行时，JVM则会到方法区中去查找使用对应类信息（比如创建对象）。
       值得注意的一点是由于所有线程共享方法区中的数据，所以方法区中数据的访问必须被设计成线程安全的，比如说多个线程并发加载同一类等等。另外方法区虽然也被称为“永久代”，但实际上其中的数据也是可以被垃圾回收器回收的，回收内容主要包括常量池中无用的常量、无用的类（具体判断依据请参考垃圾回收篇）。
        虽然类信息具体的存储结构依赖于具体JVM实现，但为了提高方法的检索效率，部分JVM实现会为每个非抽象类生成一个方法表（方法表虽然加快了检索速度，但本身也会占用一定的内存空间，算是以空间换时间），方法表是一种数组结构，每个元素代表一个方法实例（从Java角度来说，每个元素就相当于一个Method对象）。这种情况下，对象不再直接指向方法区中的存放类信息的地址，而是指向方法表，通过方法表来间接关联对象与类型信息，从JVM的角度来看其基本指向如下图

Java栈与PC寄存器：JVM中每个线程都有自己的PC寄存器和Java栈，PC寄存器即计数器，表示指令在主存中的地址，每执行一条指令后PC+1，即指向下一条指令。Java栈代表线程在执行过程中的所有方法调用信息，JVM对栈只有压入栈桢和弹出栈桢两个操作，“栈”由"栈桢“组成，线程每调用一次方法JVM即会为它产生并压入一个“栈桢”，方法执行完毕即会弹出对应的栈桢，栈桢本质上就是一个内存片，用来存储方法局部变量和计算的中间结果，其中用于存储中间结果的部分又称为“操作数栈”，所以操作的数据即可能是“操作数栈”中的数据，也可能是“栈桢”中的数据。 值得注意的是局部变量和操作数栈的大小在编译时计算出来，并放置到class文件中，然后JVM就可以知道方法栈桢的大小，当调用一个方法时jvm将压入一个适当大小的栈桢至栈中，但栈在jvm中是有深度限制的，当线程调用的栈深度超出该限制时将抛出StockOverflowErro异常，如果jvm在扩展栈时无法获取更多内存则会抛出OutofMemoryErro。下面关于Java栈的图文描述及验证代码

 

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//		 testStackOverflowError();
		testOutOfMemoryError();
	}
	
	public static void testStackOverflowError(){
		testStackOverflowError();
	}
	
	public static void testOutOfMemoryError(){
		byte[] bytes = new byte[2000000000];
	}

本地方法栈：
       本地方法栈即代表了线程在执行过程中调用本地方法的一系列信息，与Java栈不同的地方在于，本地方法并不受JVM的限制，对本地方法的调用不会导致JVM往Java栈中压入栈桢。关于本地方法与Java方法的调用可以简单的假设一下，假设某个线程在执行Java方法过程中调用了本地方法C1，且本地方法C1最终又调用了某Java方法，则在这个过程中JVM会先由Java栈进入本地方法栈最终又回到Java栈中，下图简单的描述了这种情况

执行引擎：
       执行引擎负责字节码指令的执行，方法的字节码流由一系列有序指令组成，指令又由一个单字节的操作码 + 0个或多个操作数组成。操作码表示需要执行的操作，操作数表示操作的数据，一般来源于当前栈桢中的局部变量或当前Java栈桢中操作数栈的顶部，至于操作数的个数，由操作码决定（操作码本身就决定了它是否需要操作数，以及操作数的形式等等）。
       不同的JVM中执行引擎也可能不同，最简单同时效率也最低的执行引擎是一次性解释字节码，它在每次运行方法时都把字节码翻译成本地代码再执行； 其次是即时编译（JITC），它在第一次执行方法时，会把对应的字节码翻译成本地机器代码并缓存，后续调用就可以重用缓存的本地机器代码；另外一种是自适应优化器（特殊的即时编译器）， JVM一开始也会解释字节码，但它会监视程序的活动，并记录活动过程中使用最频繁的代码，然后把这些代码编译成本地代码，而其它代码则继续采用解释的方式。下面是javap -c com.alibaba.fastjson.JSONObject.class反汇编后的部分信息

 public static java.lang.String valueToString(java.lang.Object) throws org.zend.sdklib.internal.utils.json.JSONException;
   Code:
      0: aload_0
      1: ifnull        12
      4: aload_0
      5: aconst_null
      6: invokevirtual #304                // Method java/lang/Object.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
      9: ifeq          16
     12: ldc_w         #261                // String null
     15: areturn
     16: aload_0
     17: instanceof    #635                // class org/zend/sdklib/internal/utils/json/JSONString
     20: ifeq          83
     23: aload_0
     24: checkcast     #635                // class org/zend/sdklib/internal/utils/json/JSONString
     27: invokeinterface #637,  1          // InterfaceMethod org/zend/sdklib/internal/utils/json/JSONString.toJSONString:()Ljava/lang/String;
     32: astore_1
     33: goto          46
     36: astore_2
     37: new           #52                 // class org/zend/sdklib/internal/utils/json/JSONException
     40: dup
     41: aload_2
     42: invokespecial #640                // Method org/zend/sdklib/internal/utils/json/JSONException."":(Ljava/lang/Throwable;)V
     45: athrow
     46: aload_1
     47: instanceof    #92                 // class java/lang/String
     50: ifeq          58
     53: aload_1
     54: checkcast     #92                 // class java/lang/String
     57: areturn
     58: new           #52                 // class org/zend/sdklib/internal/utils/json/JSONException
     61: dup

aload_0表示将第一个局部变量压入到当前操作数栈中，aload指令后跟着的操作数必须是对象引用，这里第一个局部变量也是引用，即参数Object。
ifnull 12表示弹出栈顶对象（即刚压入的参数obj)，判断是否为null， 为null则跳转到偏移量为12的分支处，关于指令相关的更多信息这里就不说了