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JVM内存结构

时间:2015-05-15 00:00:41      阅读:326      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

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一、JVM内存结构

1.1 下面总体说说内存

Java虚拟机会将内存分为几个不同的管理区,这些区域各自有各自的用途,根据不同的特点,承担不同的任务以及在垃圾回收时运用不同的算法。总体分为下面几个部分:

程序计数器(Program Counter Register)、JVM虚拟机栈(JVM Stacks)、本地方法栈(Native Method Stacks)、堆(Heap)、方法区(Method Area)

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1.2 下面说说具体各个结构的功能

1.2.1、程序计数器(Program Counter Register)

这是一块比较小的内存,不在Ram上,而是直接划分在CPU上的,程序员无法直接操作它,它的作用是:JVM在解释字节码文件(.class)时,存储当前线程所执行的字节码的行号,只是一种概念模型,各种JVM所采用的方式不同,字节码解释器工作时,就是通过改变程序计数器的值来选取下一条要执行的指令,分支、循环、跳转、等基础功能都是依赖此技术区完成的。还有一种情况,就是我们常说的Java多线程方面的,多线程就是通过现程轮流切换而达到的,同一时刻,一个内核只能执行一个指令,所以,对于每一个程序来说,必须有一个计数器来记录程序的执行进度,这样,当现程恢复执行的时候,才能从正确的地方开始,所以,每个线程都必须有一个独立的程序计数器,这类计数器为线程私有的内存。如果一个线程正在执行一个Java方法,则计数器记录的是字节码的指令的地址,如果执行的一个Native方法,则计数器的记录为空,此内存区是唯一一个在Java规范中没有任何OutOfMemoryError情况的区域。

1,2.2、JVM虚拟机栈(JVM Stacks)

JVM虚拟机栈就是我们常说的堆栈的栈(我们常常把内存粗略分为堆和栈),和程序计数器一样,也是线程私有的,生命周期和线程一样,每个方法被执行的时候会产生一个栈帧,用于存储局部变量表、动态链接、操作数、方法出口等信息。方法的执行过程就是栈帧在JVM中出栈和入栈的过程。局部变量表中存放的是各种基本数据类型,如boolean、byte、char、等8种,及引用类型(存放的是指向各个对象的内存地址),因此,它有一个特点:内存空间可以在编译期间就确定,运行期不在改变。这个内存区域会有两种可能的Java异常:StackOverFlowError和OutOfMemoryError。

1.2.3、本地方法栈(Native Method Stacks)

从名字即可看出,本地方法栈就是用来处理Java中的本地方法的,Java类的祖先类Object中有众多Native方法,如hashCode()、wait()等,他们的执行很多时候是借助于操作系统,但是JVM需要对他们做一些规范,来处理他们的执行过程。此区域,可以有不同的实现方法,向我们常用的Sun的JVM就是本地方法栈和JVM虚拟机栈是同一个。

1.2.4、堆(Heap)

堆内存是内存中最重要的一块,也是最有必要进行深究的一部分。因为Java性能的优化,主要就是针对这部分内存的。所有的对象实例及数组都是在堆上面分配的(随着JIT技术的逐渐成熟,这句话视乎有些绝对,不过至少目前还基本是这样的),可通过-Xmx和-Xms来控制堆的大小。JIT技术的发展产生了新的技术,如栈上分配和标量替换,也许在不久的几年里,即时编译会诞生及成熟,那个时候,“所有的对象实例及数组都是在堆上面分配的”这句话就应该稍微改改了。堆内存是垃圾回收的主要区域,所以在下文垃圾回收板块会重点介绍,此处只做概念方面的解释。在32位系统上最大为2G,64位系统上无限制。可通过-Xms和-Xmx控制,-Xms为JVM启动时申请的最小Heap内存,-Xmx为JVM可申请的最大Heap内存。

1.2.5、方法区(Method Area)

 方法区是所有线程共享的内存区域,用于存储已经被JVM加载的类信息、常量、静态变量等数据,一般来说,方法区属于持久代(关于持久代,会在GC部分详细介绍,除了持久代,还有新生代和旧生代),也难怪Java规范将方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它不是堆。方法区的垃圾回收比较棘手,就算是Sun的HotSpot VM在这方面也没有做得多么完美。此处引入方法区中一个重要的概念:运行时常量池。主要用于存放在编译过程中产生的字面量(字面量简单理解就是常量)和引用。一般情况,常量的内存分配在编译期间就能确定,但不一定全是,有一些可能就是运行时也可将常量放入常量池中,如String类中有个Native方法intern()<关于intern()的详细说明,请看另一篇文章:http://blog.csdn.net/zhangerqing/article/details/8093919>

此处补充一个在JVM内存管理之外的一个内存区:直接内存。在JDK1.4中新加入类NIO类,引入了一种基于通道与缓冲区的I/O方式,它可以使用Native函数库直接分配堆外内存,即我们所说的直接内存,这样在某些场景中会提高程序的性能。

1.3 字节码基础:JVM字节码初探

欢迎来到“Under The Hood“第三期。前两期我们分别介绍了JVM的基本结构和功能Java类文件的基本结构,本期的主要内容有:字节码所操作的原始类型、类型转换的字节码,以及操作JVM栈的字节码。

字节码格式

字节码是JVM的机器语言。JVM加载类文件时,对类中的每个方法,它都会得到一个字节码流。这些字节码流保存在JVM的方法区中。在程序运行过程中,当一个方法被调用时,它的字节码流就会被执行。根据特定JVM设计者的选择,它们可以通过解释的方式,即时编译(Just-in-time compilation)的方式或其他技术的方式被执行。

方法的字节码流就是JVM的指令(instruction)序列。每条指令包含一个单字节的操作码(opcode)和0个或多个操作数(operand)。操作码指明要执行的操作。如果JVM在执行操作前,需要更多的信息,这些信息会以0个或多个操作数的方式,紧跟在操作码的后面。

每种类型的操作码都有一个助记符(mnemonic)。类似典型的汇编语言风格,Java字节码流可以用它们的助记符和紧跟在后面的操作数来表示。例如,下面的字节码流可以分解成多个助记符的形式。

// 字节码流: 03 3b 84 00 01 1a 05 68 3b a7 ff f9
// 分解后:
iconst_0      // 03
istore_0      // 3b
iinc 0, 1     // 84 00 01
iload_0       // 1a
iconst_2      // 05
imul          // 68
istore_0      // 3b
goto -7       // a7 ff f9

字节码指令集被设计的很紧凑。除了处理跳表的2条指令以外,所有的指令都以字节边界对齐。操作码的总数很少,一个字节就能搞定。这最小化了JVM加载前,通过网络传输的类文件的大小;也使得JVM可以维持很小的实现。

JVM中,所有的计算都是围绕栈(stack)而展开的。因为JVM没有存储任意数值的寄存器(register),所有的操作数在计算开始之前,都必须先压入栈中。因此,字节码指令主要是用来操作栈的。例如,在上面的字节码序列中,通过iload_0先把本地变量(local variable)入栈,然后用iconst_2把数字2入栈的方式,来计算本地变量乘以2。两个整数都入栈之后,imul指令有效的从栈中弹出它们,然后做乘法,最后把运算结果压入栈中。istore_0指令把结果从栈顶弹出,保存回本地变量。JVM被设计成基于栈,而不是寄存器的机器,这使得它在如80486寄存器架构不佳的处理器上,也能被高效的实现。


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