Java虛擬機(jī)底層原理

Java虛擬機(jī)主要由以下三部分組成。

1. 類裝載子系統(tǒng)：java代碼編譯成class文件后，首先由類裝載子系統(tǒng)加載到虛擬機(jī)內(nèi)存中。
2. 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)：就是俗稱的虛擬機(jī)內(nèi)存，主要包括我們熟悉的堆、棧、本地方法棧、方法區(qū)（元空間）、程序計(jì)數(shù)器
3. 字節(jié)碼執(zhí)行引擎：最終java代碼的真正執(zhí)行是由字節(jié)碼執(zhí)行引擎來執(zhí)行的。

虛擬機(jī)調(diào)優(yōu)主要針對(duì)的是運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，也就是虛擬機(jī)內(nèi)存。

一、堆

虛擬機(jī)調(diào)優(yōu)主要針對(duì)的就是堆。當(dāng)堆滿了的時(shí)候，字節(jié)碼執(zhí)行引擎就會(huì)單獨(dú)開啟一個(gè)垃圾回收線程執(zhí)行g(shù)c。

二、棧

當(dāng)線程開始執(zhí)行，java虛擬機(jī)立刻在棧中為該線程分配一塊內(nèi)存空間，這塊內(nèi)存是這個(gè)線程專屬的，主要放線程自己的局部變量，每個(gè)線程都有自己的內(nèi)存區(qū)域。

棧由一系列幀組成，一個(gè)方法對(duì)應(yīng)一塊棧幀內(nèi)存區(qū)域。幀保存一個(gè)方法的局部變量、操作數(shù)棧、常量池指針。每一次方法調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)幀，并壓棧。

虛擬機(jī)內(nèi)存中的棧的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特性類似數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧，滿足先進(jìn)后出(FILO)特性。當(dāng)一個(gè)方法運(yùn)行完，它對(duì)應(yīng)的棧幀就被銷毀。

雖然我們常說棧幀是用來放局部變量的，但實(shí)際上要復(fù)雜的多。棧幀內(nèi)部主要包括：局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口四部分。下面以一段簡單的代碼為例，介紹一下這幾部分的作用。

public int compute() {
    int a = 1;
    int b = 1;
    int c = (a + b) * 10;
    return c;
}

java代碼編譯成的class文件打開是十六進(jìn)制字符無法讀，需要使用javap -c進(jìn)行反編譯。以上代碼反編譯的結(jié)果如下：

可以通過JVM指令手冊(cè)查看每條命令的具體含義。

第0行iconst_1：將int類型常量1壓入操作數(shù)棧。第1行istore_1：將int類型存入局部變量1。這一步就是先在局部變量表分配一塊內(nèi)存給變量a，從操作數(shù)棧中的常量1取出賦給變量a并存入局部變量表。這兩行完成了源碼中的第一行 int a = 1; 。同理，第2行和第3行完成了源碼中的第二行Int b = 1; 。

第4行iload_1：從局部變量1裝載int類型值。這里局部變量1就是a，這一步是把a(bǔ)中的值加載到操作數(shù)棧。第5行iload_2也是同樣道理，從局部變量2也就是b裝載int類型值到操作數(shù)棧。第6行iadd：就是進(jìn)行加法運(yùn)算，java虛擬機(jī)進(jìn)行加減乘除運(yùn)算時(shí)，會(huì)從操作數(shù)棧的棧頂彈出兩個(gè)元素進(jìn)行運(yùn)算。這里也就是iload_1和iload_2裝載的值。并且將運(yùn)算完成的結(jié)果壓回操作數(shù)棧。第7行bipush 10：將一個(gè)8位帶符號(hào)整數(shù)壓入操作數(shù)棧。這里就是后面的那個(gè)10。由于10也要占一個(gè)位置，所以這一條指令占了兩個(gè)位置，也就沒有了第8行。第9行imul：就是進(jìn)行乘法運(yùn)算，與第6行iadd類似。第10行istore_3：將前面運(yùn)算表達(dá)式的結(jié)果從操作數(shù)棧中取出賦給變量c并存入局部變量表。從第4行到第10行完成了源碼中Int c = (a + b) * 10;這一行的操作。

第11行iload_1：從局部變量3裝載int類型值。頁就是把局部變量c中的值取出加載到操作數(shù)棧。第12行ireturn：就很明顯了，就是返回結(jié)果。

通過上面簡單程序的例子，應(yīng)該可以理解局部變量表和操作數(shù)棧的工作方式了吧。操作數(shù)棧簡單的說就是程序在運(yùn)行過程中，存放操作數(shù)的臨時(shí)內(nèi)存。局部變量如果是對(duì)象類型，那么對(duì)象值實(shí)際是存在堆里的，而棧的局部變量表實(shí)際上只是保存該對(duì)象在堆內(nèi)存中的地址。

棧幀中除了局部變量表和操作數(shù)棧還有動(dòng)態(tài)連接和方法出口。

每個(gè)棧幀都包含一個(gè)指向運(yùn)行時(shí)常量池中該棧幀所屬方法的引用，持有這個(gè)引用是為了方法調(diào)用過程中的動(dòng)態(tài)連接。Class文件中的常量池中存有大量的符號(hào)引用，字節(jié)碼中的方法調(diào)用指令就是以常量池里指向方法的符號(hào)引用作為參數(shù)的，這些符號(hào)的一部分會(huì)在類加載階段或者第一次使用的時(shí)候被轉(zhuǎn)化為直接引用，這種轉(zhuǎn)化被稱為靜態(tài)解析。另一部分在每一次運(yùn)行期間轉(zhuǎn)化為直接引用，被稱為動(dòng)態(tài)連接。因?yàn)榉椒ǖ膱?zhí)行對(duì)應(yīng)著棧幀的入棧出棧，所以將所屬方法的引用存放在棧幀中。

方法出口記錄了上級(jí)調(diào)用方法的信息，比如compute()方法是main()方法調(diào)用的。當(dāng)compute()方法執(zhí)行完成返回時(shí)，需要返回到上級(jí)調(diào)用方法main()繼續(xù)運(yùn)行，此時(shí)需要知道一些調(diào)用方法main()的信息，比如返回到main()的哪個(gè)位置。方法出口就記錄了相關(guān)信息。

三、程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器也是屬于線程的，標(biāo)識(shí)這個(gè)線程正在或者馬上要執(zhí)行的那行程序的行號(hào)。如上例中0-12就是行號(hào)，程序運(yùn)行過程中，字節(jié)碼執(zhí)行引擎每執(zhí)行一行代碼，都會(huì)修改程序計(jì)數(shù)器的值。

為什么需要程序計(jì)數(shù)器呢？如果當(dāng)前線程掛起了，讓出了cpu去執(zhí)行其它線程，當(dāng)線程重新獲得cpu時(shí)間片開始執(zhí)行時(shí)，需要讓線程知道應(yīng)該執(zhí)行到哪一行了，而程序計(jì)數(shù)器則記錄了要執(zhí)行程序的行號(hào)。

四、方法區(qū)（元空間）

class文件通過類裝載子系統(tǒng)加載到虛擬機(jī)內(nèi)存中，其實(shí)主要就是加載到方法區(qū)。方法區(qū)內(nèi)主要是常量、靜態(tài)變量、類元信息等。類元信息就是類的名稱、修飾符、方法簽名、方法中的指令碼等。創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，在對(duì)象頭中會(huì)保存指向類元信息的地址指針。

JDK1.8之后改叫元空間，也不再使用虛擬機(jī)內(nèi)存，而是使用直接內(nèi)存?？梢允褂?XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize設(shè)置元空間初始大小以及最大可分配大小。

1.如果不指定元空間的大小，默認(rèn)情況下，元空間最大的大小是系統(tǒng)內(nèi)存的大小，如果元空間一直擴(kuò)大，虛擬機(jī)可能會(huì)消耗完所有的可用系統(tǒng)內(nèi)存。

2.如果元空間內(nèi)存不夠用，就會(huì)報(bào)OOM。

3.默認(rèn)情況下，對(duì)應(yīng)一個(gè)64位的服務(wù)端JVM來說，其默認(rèn)的-XX:MetaspaceSize值為21MB，這就是初始的高水位線，一旦元空間的大小觸及這個(gè)高水位線，就會(huì)觸發(fā)Full GC并會(huì)卸載沒有用的類，然后高水位線的值將會(huì)被重置。

4.從第3點(diǎn)可以知道，如果初始化的高水位線設(shè)置過低，會(huì)頻繁的觸發(fā)Full GC，高水位線會(huì)被多次調(diào)整。所以為了避免頻繁GC以及調(diào)整高水位線，建議將-XX:MetaspaceSize設(shè)置為較高的值，而-XX:MaxMetaspaceSize不進(jìn)行設(shè)置。

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