【优化】JVM组成

本文转自：http://thw.iteye.com/blog/953869

1 JVM 简介
JVM 是我们Javaer 的最基本功底了，刚开始学Java 的时候，一般都是从“Hello World ”开始的，然后会写个复杂点class ，然后再找一些开源框架，比如Spring ，Hibernate 等等，再然后就开发企业级的应用，比如网站、企业内部应用、实时交易系统等等，直到某一天突然发现做的系统咋就这么慢呢，而且时不时还来个内存溢出什么的，今天是交易系统报了StackOverflowError ，明天是网站系统报了个OutOfMemoryError ，这种错误又很难重现，只有分析Javacore 和dump 文件，运气好点还能分析出个结果，运行遭的点，就直接去庙里烧香吧！每天接客户的电话都是战战兢兢的，生怕再出什么幺蛾子了。我想Java 做的久一点的都有这样的经历，那这些问题的最终根结是在哪呢？—— JVM 。
JVM 全称是Java Virtual Machine ，Java 虚拟机，也就是在计算机上再虚拟一个计算机，这和我们使用 VMWare 不一样，那个虚拟的东西你是可以看到的，这个JVM 你是看不到的，它存在内存中。我们知道计算机的基本构成是：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备，那这个JVM 也是有这成套的元素，运算器是当然是交给硬件CPU 还处理了，只是为了适应“一次编译，随处运行”的情况，需要做一个翻译动作，于是就用了JVM 自己的命令集，这与汇编的命令集有点类似，每一种汇编命令集针对一个系列的CPU ，比如8086 系列的汇编也是可以用在8088 上的，但是就不能跑在8051 上，而JVM 的命令集则是可以到处运行的，因为JVM 做了翻译，根据不同的CPU ，翻译成不同的机器语言。
JVM 中我们最需要深入理解的就是它的存储部分，存储？硬盘？NO ，NO ， JVM 是一个内存中的虚拟机，那它的存储就是内存了，我们写的所有类、常量、变量、方法都在内存中，这决定着我们程序运行的是否健壮、是否高效，接下来的部分就是重点介绍之。

2 JVM 的组成部分
我们先把JVM 这个虚拟机画出来，如下图所示：



从这个图中可以看到，JVM 是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。我们再来看下JVM 有哪些组成部分，如下图所示：




该图参考了网上广为流传的JVM 构成图，大家看这个图，整个JVM 分为四部分：
q  Class Loader 类加载器
类加载器的作用是加载类文件到内存，比如编写一个HelloWord.java 程序，然后通过javac 编译成class 文件，那怎么才能加载到内存中被执行呢？Class Loader 承担的就是这个责任，那不可能随便建立一个.class 文件就能被加载的，Class Loader 加载的class 文件是有格式要求，在《JVM Specification 》中式这样定义Class 文件的结构：
    ClassFile {
      u4 magic;
      u2 minor_version;
       u2 major_version;
      u2 constant_pool_count;
      cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
      u2 access_flags;
      u2 this_class;
      u2 super_class;
      u2 interfaces_count;
      u2 interfaces[interfaces_count];
      u2 fields_count;
      field_info fields[fields_count];
      u2 methods_count;
      method_info methods[methods_count];
      u2 attributes_count;
      attribute_info attributes[attributes_count];
    }
需要详细了解的话，可以仔细阅读《JVM Specification 》的第四章“The class File Format ”，这里不再详细说明。
友情提示：Class Loader 只管加载，只要符合文件结构就加载，至于说能不能运行，则不是它负责的，那是由Execution Engine 负责的。
q  Execution Engine 执行引擎
执行引擎也叫做解释器(Interpreter) ，负责解释命令，提交操作系统执行。
q  Native Interface 本地接口
本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java 所用，它的初衷是融合C/C++ 程序，Java 诞生的时候是C/C++ 横行的时候，要想立足，必须有一个聪明的、睿智的调用C/C++ 程序，于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native 的代码，它的具体做法是Native Method Stack 中登记native 方法，在Execution Engine 执行时加载native libraies 。目前该方法使用的是越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java 程序驱动打印机，或者Java 系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见，因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用Socket 通信，也可以使用Web Service 等等，不多做介绍。
q  Runtime data area 运行数据区
运行数据区是整个JVM 的重点。我们所有写的程序都被加载到这里，之后才开始运行，Java 生态系统如此的繁荣，得益于该区域的优良自治，下一章节详细介绍之。

整个JVM 框架由加载器加载文件，然后执行器在内存中处理数据，需要与异构系统交互是可以通过本地接口进行，瞧，一个完整的系统诞生了！
2 JVM 的内存管理
所有的数据和程序都是在运行数据区存放，它包括以下几部分：
q  Stack 栈
栈也叫栈内存，是Java 程序的运行区，是在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束，该栈就Over 。问题出来了：栈中存的是那些数据呢？又什么是格式呢？
栈中的数据都是以栈帧（ Stack Frame ）的格式存在，栈帧是一个内存区块，是一个数据集，是一个有关方法 (Method) 和运行期数据的数据集，当一个方法 A 被调用时就产生了一个栈帧 F1 ，并被压入到栈中， A 方法又调用了 B 方法，于是产生栈帧 F2 也被压入栈，执行完毕后，先弹出 F2 栈帧，再弹出 F1 栈帧，遵循“先进后出”原则。
那栈帧中到底存在着什么数据呢？栈帧中主要保存3 类数据：本地变量（Local Variables ），包括输入参数和输出参数以及方法内的变量；栈操作（Operand Stack ），记录出栈、入栈的操作；栈帧数据（Frame Data ），包括类文件、方法等等。光说比较枯燥，我们画个图来理解一下Java 栈，如下图所示：




图示在一个栈中有两个栈帧，栈帧2 是最先被调用的方法，先入栈，然后方法2 又调用了方法1 ，栈帧1 处于栈顶的位置，栈帧2 处于栈底，执行完毕后，依次弹出栈帧1 和栈帧2 ，线程结束，栈释放。
q  Heap 堆内存
一个JVM 实例只存在一个堆类存，堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后，需要把类、方法、常变量放到堆内存中，以方便执行器执行，堆内存分为三部分：
Permanent Space 永久存储区
永久存储区是一个常驻内存区域，用于存放JDK 自身所携带的Class,Interface 的元数据，也就是说它存储的是运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭JVM 才会释放此区域所占用的内存。
Young Generation Space 新生区
新生区是类的诞生、成长、消亡的区域，一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。新生区又分为两部分：伊甸区（Eden space ）和幸存者区（Survivor pace ），所有的类都是在伊甸区被new 出来的。幸存区有两个： 0 区（Survivor 0 space ）和1 区（Survivor 1 space ）。当伊甸园的空间用完时，程序又需要创建对象，JVM 的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收，将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存0 区。若幸存0 区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到1 区。那如果1 区也满了呢？再移动到养老区。
Tenure generation space 养老区
养老区用于保存从新生区筛选出来的JAVA 对象，一般池对象都在这个区域活跃。   三个区的示意图如下：



q  Method Area 方法区
方法区是被所有线程共享，该区域保存所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在此定义。
q  PC Register 程序计数器
每个线程都有一个程序计数器，就是一个指针，指向方法区中的方法字节码，由执行引擎读取下一条指令。
q  Native Method Stack 本地方法栈