主流JVM的组成分析

JVM概念

VM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。

JVM分类

参照wikipedia，文中分的比较细，这里按照使用场景按照流行程度给出比较。
1. HotSpot VM
2. J9 VM
3. Zing VM

从 Java SE 7开始，HotSpot VM 就是Java的RI(Reference Implemention), Oracle/Sun JDK和OpenJDK都使用HotSPot VM的相同核心。
JDK8的HotSpot VM结合了JRockit VM，把功能整合实现了，比如移除了PermGen、Jcmd等部分。
J9是IBM开发的高度模块化的JVM，由于许可证限制，J9只能和IBM其他产品捆绑使用，比如Rational、WebSphere就是使用了J9。此外，J9还用在IBM在其捆绑销售的硬件上。J9总体和HotSpot VM 性能差不多，但J9比HotSpot VM 对支持一些功能，比如AOT（Ahead-Of-Time）编译，关于JIT(Just-In-Time)编译与AOT编译的比较，可以参考2。
Zing VM
应该说是最棒的JVM了吧，由Azul Systems主导，这是一家专门致力于高性能、可管理的Java及JVM系统的公司。它以Sun的HotSpot VM为基础，改进了许多会影响延迟的细节。最大的三个卖点是：(1) 低延迟、“无暂停”（pauseless）的C4 GC，GC带来的暂停可以控制在10ms以下的级别，支持的Java堆大小可以到1TB（2016年更新：目前已经支持到2TB的Java堆啦）；(2) 启动后快速预热功能；(3) 可管理性：零开销、可在生产环境全时开启的、整合在JVM内的监控工具Zing Vision。目前国内有些公司也在搞JVM监控系统，看来还是就有市场前景的。

JVM组成

这里按照主流的HotSpot VM ，画了张JVM组成图，主要4大部分组成：ClassLoader，Runtime Data Area，Execution Engine，Native Interface。

ClassLoader

ClassLoader应该很熟悉，java类里面有个getClassLoader（)拿到的就是默认加载器，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。

Native Interface

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。

Execution Engine

Execution Engine是执行引擎，负责给操作系统解释放入Runtime DataArea的指令和数据。

Runtime Data Area

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。
1. Stack
Stack是栈内存，用来存放StackFrame，每个线程都拥有自己的栈。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6。
2. Native Method Stack
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. Heap
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。
图中 Eden区里面存着是新生的对象，From Space和To Space中存放着是每次垃圾回收后存活下来的对象 ，所以每次垃圾回收后，Eden区会被清空。 存活下来的对象先是放到From Space，当From Space满了之后移动到To Space。当To Space满了之后移动到Old Space。Survivor的两个区是对称的，没先后关系，所以同一个区中可能同时存在从Eden复制过来 对象，和从前一个Survivor复制过来的对象，而复制到年老区的只有从第一个Survivor复制过来的对象。而且，Survivor区总有一个是空的。同时，根据程序需要，Survivor区是可以配置为多个的（多于两个），这样可以增加对象在年轻代中的存在时间，减少被放到年老代的可能。Old Space中则存放生命周期比较长的对象，而且有些比较大的新生对象也放在Old Space中。
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。
4. PC Register
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。
5. Method Area
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。