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Java虚拟机（JVM）笔记

Java虚拟机的介绍

什么是java虚拟机？

Java 虚拟机是一个虚拟的机器,在实际的计算机上通过软件模拟来实现。Java 虚 拟机有自己虚拟的硬件,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。

为什么要使用java虚拟机？

Java 语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用 Java 虚拟机是实现这 一特点的关键。

一般的高级语言如果要在不同的平台上运行,至少需要编译成不同的目标代码。而引入 Java 语言虚拟机后,Java 语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java 虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息,使得 Java 语言编译程序只需生成在 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。

Java 虚拟机在执行字节码文件时，会把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

Java 虚拟机的生命周期

程序开始执行时Java 虚拟机才运行，程序结束时Java 虚拟机就停止。如果你同时运行三个 Java 程序，就会有三个运行中的 Java 虚拟机。

Java 虚拟机总是开始于一个 main()方法，这个方法必须是公有 public、返回 void、直接接收一个字符串数组。在程序执行时，你必须给 Java 虚拟机指明这个包含有 main() 方法的类名。

Java虚拟机的组成

JVM由以下四大部分组成。

• 类加载器子系统 ：根据完整类名(如:java.lang.Object)来装载class字节码文件到运行时数据区中的方法区（method area）。
• Execution engine（执行引擎）：执行class字节码文件中的指令。
• Native Interface(本地库接口)：与 本地方法库（native libraries）交互，是其它编程语 言交互的接口。
• Runtime data area(运行时数据区域)：这就是常说的JVM的内存。

Java程序运行步骤：

1. 首先利用IDE集成开发工具编写Java源代码，源文件的后缀为.java；
2. 再利用编译器(javac命令)将源代码编译成字节码文件，字节码文件的后缀名为.class；
3. 然后JVM中的类装载器开始读取字节码文件。由于字节码文件中包含数据和指令。
4. 类加载器将字节码文件中的数据加载到运行时数据区。把字节码文件中的指令加载到执行引擎中。
5. 执行引擎将字节码文件中的指令翻译为底层系统指令。再交由 CPU 去执行，而这个过程中需要调用其他语言的本地库接口（Native Interface）来实现整个程序的功能。

JVM的四大部分如何执行？

1. 准备好 Java 字节码文件（class文件）
2. 类加载器将字节码文件中的指令集和数据信息存储到运行数据区中。
3. 执行引擎将运行数据区的指令集翻译为操作系统指令集。
4. 执行引擎根据本地方法栈内存储的本地方法信息，通过调用本地库接口，去执行具体的本地方法库。

类加载器

类加载器子系统用于加载字节码文件。

运行时数据区

程序的执行需要一定的内存空间，如字节码、类的信息、程序中的对象、方法的参数、返回值、本地变量、处理的中间变量等等。Java 虚拟机将这些信息统统保存在运行时数据区中。

方法区: 线程共享

在 Java 虚拟机中，被虚拟机加载的类的元数据信息都保存在方法区中。如常量、静态变量和即时编译器编译后的代码。一个java程序中的所有线程共享一个方法区。

什么是类型信息？

• 类的完整类名，类的修饰符，类的父类信息等。
• 类中方法的名称，方法的返回类型，方法的参数列表和数据类型信息，方法的修饰符等。

如图所示

堆：线程共享

当在 Java 程序中 new 一个类的实例化对象或者数组时，都会在堆中为新的对象或新的数组分配内存。虚拟机中只有一个堆，所有的线程都共享它。

PC 寄存器(程序计数器) ：线程私有

程序计数器用来记录当前所属线程正在执行的字节码指令地址。

当Java虚拟机中同时进行的线程数超过CPU数或其内核数时，系统就要通过时间片轮询分派CPU的时间资源，通常在这个过程中会发生线程切换。这时为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有属于自己的计数器，用来记录所属线程正在执行的字节码指令地址。并且各个线程的程序计数器互不影响，独立存储。

虚拟机栈 ：线程私有

每个线程创建的时候，都会创建一个属于该线程的虚拟机栈。

当线程执行程序代码中的方法时，Java虚拟机会创建一个栈帧（一个栈元素，代表该方法），然后将栈帧放入到虚拟机栈中。

每一个方法从被线程调用到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中出入栈到出栈的过程

栈帧的结构如下

• 局部变量表：存储方法形参和方法体内的局部变量（包括基本数据类型，对象引用地址，数组的引用地址）。
• 操作数栈：当进行表达式计算时，会将参与计算的变量和运算符存储操作数栈中，通过入栈出栈的方式来进行表达式计算。
• 动态链接（指向运行时常量池的方法引用）：每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。
• 方法返回地址：即在方法退出之后，都必须返回到方法被调用前时程序运行的位置，程序才能继续执行。

本地方法栈 ：线程私有

本地方法栈类似于虚拟机栈，区别是虚拟机栈为执行Java方法服务, 而本地方法栈则为Native方法服务。

Native方法就是指非java语言实现的方法，比如C语言。Native方法用于帮助虚拟机中的java方法调用非java语言编写的系统底层方法。例如 java方法-》调用Native方法 -》调用非java语言编写的系统底层方法。

执行引擎

主要用于执行class字节码文件中的指令。

本地库接口

本地库接口主要与本地方法库（native libraries）交互，是与其它编程语言交互的接口。并不是必须实现本地库接口。

JVM中的堆与栈

堆与栈的区别

JVM中的堆与栈主要是指运行时数据区域中的堆与虚拟机栈。

栈是运行单位，代表着程序运行逻辑，即程序如何执行。内含基本数据类型和堆中对象引用，所在区域连续，没有碎片；

堆是存储单位，用于解决的是数据存储的问题，即数据怎么放、放在哪儿。可被多个栈共享（包括成员中基本数据类型、引用和引用对象），所在区域不连续，会有碎片。

在 Java 中一个线程就会相应有一个线程栈与之对应，因为不同的线程，它的执行逻辑有所不同，因此需要一个独立的线程栈，线程栈中记录了程序运行逻辑。而堆则是所有线程共享的。

因此栈里面存储的信息都是跟当前线程（或程序）相关信息的，包括局部变量、程序运行状态、方法返回值等等。而堆只负责存储对象信息。

为什么要把堆和栈区分出来呢？栈中不是也可以存储数据吗？

• 第一，从软件设计的角度看，栈代表了处理逻辑，而堆代表了数据。这样分开，使得处理逻辑更为清晰。分而治之的思想。这种隔离、模块化的思想在软件设计的方方面面都有体现。
• 第二，堆与栈的分离，使得堆中的内容可以被多个栈共享（可以理解为多个线程访问同一个对象）。这种共享的收益是很多的。一方面这种共享提供了一种有效的数据交互方式(如：共享内存)，另一方面，堆中的共享常量和缓存可以被所有栈访问，节省了空间。
• 第三，栈因为运行时的需要，比如保存系统运行的上下文，需要进行地址段的划分。由于栈只能向上增长，因此就会限制住栈存储内容的能力。而堆不同，堆中的对象是可以根据需要动态增长的，因此栈和堆的拆分，使得动态增长成为可能，相应栈中只需记录堆中的一个地址即可。
• 第四，面向对象就是堆和栈的完美结合。其实，面向对象方式的程序与以前结构化的程序在执行上没有任何区别。但是，面向对象的引入，使得对待问题的思考方式发生了改变，而更接近于自然方式的思考。当我们把对象拆开，你会发现，对象的属性其实就是数据，存放在堆中；而对象的方法，就是运行逻辑，存放在栈中。我们在编写对象的时候，其实即编写了数据结构，也编写的处理数据的逻辑。不得不承认，面向对象的设计，确实很美。

堆中存什么？栈中存什么？

堆中存的是对象。栈中存的是基本数据类型和堆中对象的引用。一个对象的大小是不可估计的，或者说是可以动态变化的，但是在栈中，一个对象只对应了一个 4btye 的引用。

为什么不把基本类型放堆中呢？

因为基本数据类型占用的空间一般是 1~8 个字节,需要空间比较少，而且因为是基本类型，所以不会出现动态增长的情况，即长度固定，因此栈中存储就够了。

Java 中的参数传递时传值呢？还是传引用？

java 程序运行永远都是在栈中进行的，因而参数传递时，只存在传递基本类型和对象引用的问题。不会直接传对象本身。Java 在方法调用传递参数时，因为没有指针的概念，所以它都是进行传值调用。

在程序参数传递时，被传递的值本身都是不能进行修改的，但是，如果这个值一个对象引用，则可以通过这个对象引用来修改这个对象。

JVM中的四个常量池

JVM常量池主要分为Class常量池、运行时常量池、字符串常量池、基本类型包装类对象常量池。

Class常量池

每个字节码文件（Class文件）中除了有类的版本、字 段、方法、接口等描述信息外，还有一种数据信息是Class常量池。Class常量池用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用。

字面量包括：1.文本字符串 2.八种基本数据类型的值 3.被声明为final的常量等; 符号引用包括：1.类和方法的全限定名 2.字段的名称和描述符 3.方法的名称和描述符。

运行时常量池

运行时常量池存在于方法区中。当类加载器将字节码文件中的指令和数据信息加载到运行内存中时，会把字节码文件的Class常量池信息取出并存储到方法区中的运行时常量池中。

字符串常量池

字符串常量池存在于堆中。字符串常量池存储的是具体的字符串值。而不是具体的字符串实例对象。

//方式1
String str1="aaa";

//采用字面值的方式创建一个字符串时，JVM 首先会去字符串池中查找是否存在 "aaa" 这个对象，
//如果不存在，则在字符串常量池中创建 "aaa" 这个对象，然后将池中 "aaa" 这个对象的引用地址返回给字符串常量 str1，这样 str1 会指向池中"aaa"这个字符串对象；
//如果存在，则不创建任何对象，直接将池中 "aaa" 这个对象的地址返回，赋给字符串常量str1。

//方式2
String str2=new String("aaa");

//采用 new 关键字新建一个字符串对象时，JVM 首先在字符串常量池中查找有没有 "aaa" 这个字符串对象。
//如果有，则不在池中再去创建 "aaa" 这个对象了，直接在堆中创建一个 "aaa" 字符串对象，然后将堆中的这个"aaa"对象的地址返回赋给引用 str2，这样str2就指向了堆中创建的这个 "aaa" 字符串对象；
//如果没有，则首先在字符串常量池池中创建一个 "aaa" 字符串对象，然后再在堆中创建一个 "aaa" 字符串对象，然后将堆中这个 "aaa" 字符串对象的地址返回赋给str2引用，这样str2指向了堆中创建的这个 "aaa" 字符串对象。

• 字符串池的优点就是避免了相同内容的字符串的创建，节省了内存，省去了创建相同字符串的时间，同时提升了性能；
• 字符串池的缺点就是牺牲了JVM在常量池中遍历对象所需要的时间，不过其时间成本相比而言比较低。