JVM（二）Java虚拟机组成详解
導讀：詳細而深入的總結，是對知識“豁然開朗”之后的“刻骨銘心”，想忘記都難。
Java虛擬機（Java Virtual Machine）下文簡稱jvm，上一篇我們對jvm有了大體的認識，進入本文之后我們將具體而詳細的介紹jvm的方方面面，而本文主要講的是jvm的組成，了解了它，就揭開了jvm的神秘面紗。
一、jvm的主要組成部分
接下來我們來看以上4個主要組成部分的用途。
二、jvm組成部分的用途
程序在執(zhí)行之前先要把java代碼轉換成字節(jié)碼（class文件），jvm首先需要把字節(jié)碼通過一定的方式 類加載器（ClassLoader） 把文件加載到內存中 運行時數據區(qū)（Runtime Data Area） ，而字節(jié)碼文件是jvm的一套指令集規(guī)范，并不能直接交個底層操作系統(tǒng)去執(zhí)行，因此需要特定的命令解析器 執(zhí)行引擎（Execution Engine） 將字節(jié)碼翻譯成底層系統(tǒng)指令再交由CPU去執(zhí)行，而這個過程中需要調用其他語言的接口 本地庫接口（Native Interface） 來實現(xiàn)整個程序的功能，這就是這4個主要組成部分的職責與功能。
而我們通常所說的jvm組成指的是運行時數據區(qū)（Runtime Data Area），因為通常需要程序員調試分析的區(qū)域就是“運行時數據區(qū)”，或者更具體的來說就是“運行時數據區(qū)”里面的Heap（堆）模塊，那接下來我們來看運行時數據區(qū)（Runtime Data Area）是由哪些模塊組成的。
三、運行時數據區(qū)
jvm的運行時數據區(qū)，不同虛擬機實現(xiàn)可能略微有所不同，但都會遵從Java虛擬機規(guī)范，Java 8 虛擬機規(guī)范規(guī)定，Java虛擬機所管理的內存將會包括以下幾個運行時數據區(qū)域：
接下來我們分別介紹每個區(qū)域的用途。
3.1 程序計數器
程序計數器（Program Counter Register）是一塊較小的內存空間，它可以看作是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型里，字節(jié)碼解析器的工作是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成。
特性：內存私有
由于jvm的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時間的方式來實現(xiàn)的，也就是任何時刻，一個處理器（或者說一個內核）都只會執(zhí)行一條線程中的指令。因此為了線程切換后能恢復到正確的執(zhí)行位置，每個線程都有獨立的程序計數器。
異常規(guī)定：無
如果線程正在執(zhí)行Java中的方法，程序計數器記錄的就是正在執(zhí)行虛擬機字節(jié)碼指令的地址，如果是Native方法，這個計數器就為空（undefined），因此該內存區(qū)域是唯一一個在Java虛擬機規(guī)范中沒有規(guī)定OutOfMemoryError的區(qū)域。
3.2 Java虛擬機棧
Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）描述的是Java方法執(zhí)行的內存模型，每個方法在執(zhí)行的同時都會創(chuàng)建一個線幀（Stack Frame）用于存儲局部變量表、操作數棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息，每個方法從調用直至執(zhí)行完成的過程，都對應著一個線幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。
特性：內存私有，它的生命周期和線程相同。
異常規(guī)定：StackOverflowError、OutOfMemoryError
1、如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的棧深度就會拋出StackOverflowError異常。
2、如果虛擬機是可以動態(tài)擴展的，如果擴展時無法申請到足夠的內存就會拋出OutOfMemoryError異常。
3.3 本地方法棧
本地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機棧的作用是一樣的，只不過虛擬機棧是服務Java方法的，而本地方法棧是為虛擬機調用Native方法服務的。
在Java虛擬機規(guī)范中對于本地方法棧沒有特殊的要求，虛擬機可以自由的實現(xiàn)它，因此在Sun HotSpot虛擬機直接把本地方法棧和虛擬機棧合二為一了。
特性和異常： 同虛擬機棧，請參考3.2的知識點。
3.4 Java堆
Java堆（Java Heap）是Java虛擬機中內存最大的一塊，是被所有線程共享的，在虛擬機啟動時候創(chuàng)建，Java堆唯一的目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這里分配內存，隨著JIT編譯器的發(fā)展和逃逸分析技術的逐漸成熟，棧上分配、標量替換優(yōu)化的技術將會導致一些微妙的變化，所有的對象都分配在堆上漸漸變得不那么“絕對”了。
特性：內存共享
異常規(guī)定：OutOfMemoryError
如果在堆中沒有內存完成實例分配，并且堆不可以再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError。
Java虛擬機規(guī)范規(guī)定，Java堆可以處在物理上不連續(xù)的內存空間中，只要邏輯上連續(xù)即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實現(xiàn)上也可以是固定大小的，也可以是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是可擴展的，通過-Xmx和-Xms控制。
3.5 方法區(qū)
方法區(qū)（Methed Area）用于存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯后的代碼等數據。
誤區(qū)：方法區(qū)不等于永生代
很多人原因把方法區(qū)稱作“永久代”（Permanent Generation），本質上兩者并不等價，只是HotSpot虛擬機垃圾回收器團隊把GC分代收集擴展到了方法區(qū)，或者說是用來永久代來實現(xiàn)方法區(qū)而已，這樣能省去專門為方法區(qū)編寫內存管理的代碼，但是在Jdk8也移除了“永久代”，使用Native Memory來實現(xiàn)方法區(qū)。
特性：內存共享
異常規(guī)定：OutOfMemoryError
當方法無法滿足內存分配需求時會拋出OutOfMemoryError異常。
四、擴展知識
本節(jié)將擴展一些和內存分配有關的知識。
4.1 運行時常量池
運行時常量池是方法區(qū)的一部分，Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息是常量池（Constant Pool Table）用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分在類加載后進入方法區(qū)的運行是常量池中，如String類的intern()方法。
4.2 直接內存
直接內存（Direct Memory）并不是虛擬機運行時數據區(qū)的一部分，但這部分內存也會被頻繁的使用，而且可能導致OutOfMemoryError。在JDK 1.4中新加入了NIO類，引入了一種基于Channel與緩沖區(qū)Buffer的IO方式，它通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內存的引用操作，它因此更高效，它避免了Java堆和Native堆來回交換數據的時間。
注意 ：直接內存分配不會受到Java堆大小的限制，但是受到本機總內存大小限制，在設置虛擬機參數的時候，不能忽略直接內存，把實際內存設置為-Xmx，使得內存區(qū)域的總和大于物理內存的限制，從而導致動態(tài)擴展時出現(xiàn)OutOfMemoryError異常。
五、總結
本文講了jvm的主要組成部分，以及組成部分中最重要的運行時數據區(qū)（Runtime Data Area）的構成，其中程序計數器、虛擬機棧和本地方法為私有內存，會隨著線程而生，隨著線程而滅，而Java堆作為最大的內存區(qū)域將是開發(fā)人員重點關注的內存區(qū)域，還有方法區(qū)以及運行時常量區(qū)與永生代的關系，最后講了直接內存的實現(xiàn)過程已經使用時需要主要的點，希望能夠幫助大家更好的理解jvm。
六、參考資料
Java虛擬機的內存組成以及堆內存介紹：http://t.cn/EqVvZui
JVM組成.md：http://t.cn/Eq6Vmuo
技術問答集錦（15）JVM內存模型：http://t.cn/EqVvxOS
JVM系列(二):JVM內存結構：http://t.cn/RB8i3RN
參考書籍：《深入理解Java虛擬機》
最后
關注作者公眾號，了解后續(xù)更多精彩內容：
如果覺得本文對你有幫助，歡迎轉發(fā)到朋友圈或直接分享給你的朋友。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的JVM（二）Java虚拟机组成详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： 面试官：谈谈数据库连接池的原理
- 下一篇： Java核心（二）深入理解线程池Thre