JVM內幕：Java虛擬機器詳解，jvm內幕java虛擬機器

JVM內幕：Java虛擬機器詳解，jvm內幕java虛擬機器

這篇文章解釋了JAVA 虛擬機器（JVM）的內部架構。顯示了遵守 Java SE 7 規範的典型的 JVM 核心內部組件。

顯示的組件分兩個章節解釋。第一章討論針對每個線程建立的組件，第二章節討論了線程無關組件。

• 線程
  • JVM 系統線程
  • 每個線程相關的
  • 程式計數器
  • 棧
  • 本地棧
  • 棧限制
  • 棧幀
  • 局部變數數組
  • 運算元棧
  • 動態連結
• 線程共用
  • 堆
  • 記憶體管理
  • 非堆記憶體
  • 即時編譯
  • 方法區
  • 類檔案結構
  • 類載入器
  • 更快的類載入
  • 方法區在哪裡
  • 類載入器參考
  • 運行時常量池
  • 異常表
  • 符號表
  • Interned 字串

線程

這裡所說的線程指程式執行過程中的一個線程實體。JVM 允許一個應用並發執行多個線程。Hotspot JVM 中的 Java 線程與原生作業系統線程有直接的映射關係。當執行緒區域儲存、緩衝區分配、同步對象、棧、程式計數器等準備好以後，就會建立一個作業系統原生線程。Java 線程結束，原生線程隨之被回收。作業系統負責調度所有線程，並把它們分配到任何可用的 CPU 上。當原生線程初始化完畢，就會調用 Java 線程的 run() 方法。run() 返回時，被處理未捕獲異常，原生線程將確認由於它的結束是否要終止 JVM 進程（比如這個線程是最後一個非守護線程）。當線程結束時，會釋放原生線程和 Java 線程的所有資源。

JVM 系統線程

如果使用 jconsole 或者其它調試器，你會看到很多線程在後台運行。這些後台線程與觸發 public static void main(String[]) 函數的主線程以及主線程建立的其他線程一起運行。Hotspot JVM 後台啟動並執行系統線程主要有下面幾個：

虛擬機器線程（VM thread）	這個線程等待 JVM 到達安全點操作出現。這些操作必須要在獨立的線程裡執行，因為當堆修改無法進行時，線程都需要 JVM 位於安全點。這些操作的類型有：stop-the-world 記憶體回收、線程棧 dump、線程暫停、線程偏向鎖（biased locking）解除。
週期性任務線程	這線程負責定時器事件（也就是中斷），用來調度周期性操作的執行。
GC 線程	這些線程支援 JVM 中不同的記憶體回收活動。
編譯器線程	這些線程在運行時將位元組碼動態編譯成本地平台相關的機器碼。
訊號分發線程	這個線程接收發送到 JVM 的訊號並調用適當的 JVM 方法處理。

線程相關組件

每個啟動並執行線程都包含下面這些組件：

程式計數器（PC）

PC 指當前指令（或作業碼）的地址，本地指令除外。如果當前方法是 native 方法，那麼PC 的值為 undefined。所有的 CPU 都有一個 PC，典型狀態下，每執行一條指令 PC 都會自增，因此 PC 儲存了指向下一條要被執行的指令地址。JVM 用 PC 來跟蹤指令執行的位置，PC 將實際上是指向方法區（Method Area）的一個記憶體位址。

棧（Stack）

每個線程擁有自己的棧，棧包含每個方法執行的棧幀。棧是一個後進先出（LIFO）的資料結構，因此當前執行的方法在棧的頂部。每次方法調用時，一個新的棧幀建立並壓棧到棧頂。當方法正常返回或拋出未捕獲的異常時，棧幀就會出棧。除了棧幀的壓棧和出棧，棧不能被直接操作。所以可以在堆上分配棧幀，並且不需要連續記憶體。

Native棧

並非所有的 JVM 實現都支援本地（native）方法，那些提供支援的 JVM 一般都會為每個線程建立本地方法棧。如果 JVM 用 C-linkage 模型實現 JNI（Java Native Invocation），那麼本地棧就是一個 C 的棧。在這種情況下，本地方法棧的參數順序、傳回值和典型的 C 程式相同。本地方法一般來說可以（依賴 JVM 的實現）反過來調用 JVM 中的 Java 方法。這種 native 方法調用 Java 會發生在棧（一般是 Java 棧）上；線程將離開本地方法棧，並在 Java 棧上開闢一個新的棧幀。

棧的限制

棧可以是動態分配也可以固定大小。如果線程請求一個超過允許範圍的空間，就會拋出一個StackOverflowError。如果線程需要一個新的棧幀，但是沒有足夠的記憶體可以分配，就會拋出一個 OutOfMemoryError。

棧幀（Frame）

每次方法調用都會建立一個新的棧幀並把它壓棧到棧頂。當方法正常返回或者調用過程中拋出未捕獲的異常時，棧幀將出棧。