JVM基础结构与字节码执行引擎

JVM基础结构

JVM内部结构如下：栈、堆。

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栈

JVM中的栈主要是指线程里面的栈，里面有方法栈、native方法栈、PC寄存器等等；每个方法栈是由栈帧组成的；每个栈帧是由局部变量表、操作数栈等组成。

每个栈帧其实就代表一个方法

堆

java中所有对象都在堆中分配；堆中对象又分为年轻代、老年代等等，不同代的对象使用不同垃圾回收算法。

-XMs：启动虚拟机预留的内存
-Xmx：最大的堆内存

一、堆的分代假设

根据研究表明，堆中对象大部分都是创建后，立马就可以被销毁的。如：

Plumbr_Handbook_Java_Garbage_Collection

为了优化堆中的内存，将堆中对象分为不同代。在年轻代中，GC发生比较频繁；在老年代中，GC发生比较少。

二、堆的分代

• 年轻代：Young Generation
• 老年代：Old Generation/Tenured
• 永久代：Permanent Generation

永久代在Java虚拟机规范中是没有的，但是Host Spot虚拟机中有。

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三、方法区

方法区被所有线程共享；方法区是用来存储编译后的代码，即存储每个类的运行时常量池、字段和方法。
方法区在虚拟机启动时创建；虽然方法区在逻辑上是堆的一部分，但在一些简单的实现中，方法区可以选择不进行垃圾回收和紧凑化。

方法区在java8的变化

• java7之前：方法区的实现：永久代，是作为堆的一部分；
• java8之后：方法区的实现：metaspace，是堆外的内存；

1、为什么要这样改变？
因为java可以动态加载字节码信息，这样方法区就会慢慢的挤占堆中内存。为了避免与堆争抢内存，java8将方法区的实现移至堆外。
2、方法区、永久代、MetaSpace的区别？
方法区是java虚拟机规范所规定的一个概念。其中java7实现方法区的地方称为永久代；java8实现方法区的地方称为MetaSpace

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字节码文件的结构

java程序在运行的时候，将源码编译成字节码，字节码在不同系统上的JVM翻译成对应的机器码。这是Java平台无关性的基础。

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但是，编译后的字节码是如何读取到JVM中的？字节码执行引擎是如何识别、执行指令？

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1、如何查看字节码文件

• classpy工具
• IDEA的jclasslib Bytecode viewer插件

2、字节码文件结构
一个字节码文件包含以下部分：

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（1）magic：0xCAFEBABE
class文件的magic code，用于标识该文件是class文件。

（2）minor_version、major_version
用于标识该class文件的版本，防止高版本的class文件被低版本的JVM读取并执行。

（3）constant_pool：常量池
用于存储该class文件经常被使用的信息，优化内存。比如说System.out.print()

（4）access_flag
表示这个类得访问权限，对应到java源码就是public、final之类的

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字节码执行引擎

这里以一个线程为例。一般来说，一个方法栈最底层的栈帧都是Thread.run方法。当一个线程准备调用另一个方法时，会先将实参拷贝一份到新栈帧的局部变量表里，然后再执行代码。
1、局部变量表
每次调用新方法时，会默认将当前对象的地址this作为局部变量表的第一个参数；后面存放传过来的参数。这与javascript的做法很相似。

2、方法调用的相关指令

• invokevirtual：一般实例方法，有多态；
• invokeinterface：接口方法，有多态
• invokestatuc：静态方法，无多态
• invokespecial：特殊方法，无多态
• invokedynamic：动态调用，JDK7新增，方法无需在编译时确定

3、方法调用的过程
（1）在开始时

• 方法栈新增一个栈帧；
• 实例方法的this、参数放到局部变量表中；
• 开始新栈帧中字节码的执行；

（2）在返回时

• 将返回值放在调用者方法栈帧中的操作数栈上；

（3）在异常出现时

• 寻找匹配的异常处理代码

（4）在finally时

• 为每个分支新增一个跳转

4、为什么Mockito、EasyMock无法对private、static方法进行mock？
因为他们mock方法是通过覆盖这些方法来实现的，而private、static没法被覆盖。PowerMock是通过修改字节码文件达到mock私有、静态方法的。

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