代码改变世界

深扒JVM，对它进行“开膛破肚”式解析！

2019-08-03 15:00  Java技术剑  阅读(317)  评论(0)  编辑  收藏  举报

1. 打怪升级，你绕不开JVM

JVM，对Java程序员进阶而言，是一个绝对绕不开，也不能绕开的话题。

在你打怪升级、进阶蜕变的路上，势必会遇到项目上线中各种OOM、GC等问题，此时JVM的功底就至关重要了。

这篇文章，我们将从自己写的代码运行角度出发，将JVM“开膛破肚”。看看我们写的代码，在JVM的各区域都干了些啥？

多说一句，对于Java工程师的面试，JVM也是必问的一环，因此无论从面试还是实际工作，你都很有必要夯实自己的JVM功底。

扯得有点远，赶紧拉回来，马上进入正题！

2. JVM 区域划分

原文：https://zhuanlan.zhihu.com/p/67513763

jvm的区域，大致有以下几块：

  • 程序计数器
  • 虚拟机栈
  • 堆
  • 方法区
  • 本地方法栈

接下来我们将JVM当成一个生物体，上述部分就是其不同器官。我们将从自己写的Java代码如何通过JVM来运行这一角度，来分析JVM里这些“器官”是如何支撑我们的Java代码跑起来的。

3. 程序计数器

假设我们有如下的一个类，就是最最基本的一个HelloWorld而已：

public class HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello World");
}
}

上面那段代码首先会存在于 “.java” 后缀的文件里，这个文件就是java源代码文件。

但是这个文件是面向我们程序员的，计算机是看不懂这段代码的。

所以此时就得通过编译器，把“.java”后缀的源代码文件编译为“.class”后缀的字节码文件。

这个“.class”后缀的字节码文件里，存放的就是对你写出来的代码编译好的字节码了。

字节码才是计算器可以理解的一种语言，而不是我们写出来的那一堆代码。这个字节码看起来大概是下面这样的：

 

 

 

 

注：这段字节码并不是完全对照着HelloWorld那个类来写的，就是给一段示例，让大家知道“.java”翻译成的“.class”是大概什么样子的。

大概给各位解释一下，图中比如“0: aload_0”这样的就是“字节码指令”，他对应了一条条机器指令，计算机只有读到这种机器码指令，才知道具体应该要干什么。

比如字节码指令可能会让计算机从内存里读取某个数据，或者把某个数据写入到内存里去。各种各样的指令，会指示计算机去干各种各样的事情。

所以到这里，大家首先明白的第一点：Java代码是会被翻译成字节码的，不同字节码指令指挥计算机干不同的事情。

那么在执行字节码指令的时候，JVM里的程序计数器作用是啥呢？

答案是：用来记录每个线程当前执行的字节码指令的位置，即记录当前线程目前执行到了哪一条字节码指令。

在实际中，会有多个线程并发执行各种不同的代码，所以每个线程都有自己的程序计数器，专门记录当前线程目前执行到了哪一条字节码指令。

下图更加清晰的展示出了他们之间的关系。

 

 

 

 

4. Java虚拟机栈

好，我们接着来看。大家都清楚，Java代码执行时，一定是线程来执行某个方法中的代码。就算是最基础的 HelloWorld ，也会有一个main线程来执行main方法里的代码。

在方法里，经常会定义一些方法内的局部变量，比如下面这样，在方法里定义了一个局部变量“name”。

public void sayHello() {
String name = "hello";
}

所以咱们JVM的这个“器官”就要出场了，JVM必须有一块区域是来保存每个方法内的局部变量等等数据的，这个区域就是Java虚拟机栈

为什么需要这个区域？因为每个线程都会去执行各种方法的代码，方法内还会嵌套调用其他的方法，所以每个线程都要有自己的Java虚拟机栈。

如果线程执行了一个方法，那么就会为这个方法调用创建对应的一个栈帧

栈帧里就有这个方法的局部变量表 、操作数栈、动态链接、方法出口等东西。这里别的东西不太好理解，后面我们再通过其他文章详细阐述，这里先理解一个局部变量就可以。

回到上面的例子，比如一个线程调用了上面写的“sayHello”方法，那么就会为“sayHello”方法创建一个栈帧，压入线程自己的Java虚拟机栈里面去。

在栈帧的局部变量表里就会有“name”这个局部变量，下图展示了这个过程。

 

 

 

 

接着如果“sayHello”方法调用了另外一个“greeting”方法 ，比如下面那样的代码：

 

 

 

 

这时会给“greeting”方法又创建一个栈帧，压入线程的Java虚拟机栈。

想想为啥会这样？因为sayHello方法里开始执行greeting方法了，而且greeting方法的栈帧的局部变量表里有一个“greet”变量，它是greeting方法的局部变量。

下图展示了这个过程：

 

 

 

 

接着如果“greeting”方法执行完毕了，就会把“greeting”方法对应的栈帧从Java虚拟机栈里给出栈，然后如果“sayHello”方法也执行完毕了，就会把“sayHello”方法也从Java虚拟机栈里出栈。

这就是JVM中的Java虚拟机栈这个组件的作用。

这块大家需要记住的是：调用执行任何方法时，都会给方法创建栈帧，然后入栈。

在栈帧里存放了这个方法对应的局部变量之类的数据，包括这个方法执行的其他相关的信息，方法执行完毕之后就出栈。

5. Java堆内存

JVM中有另外一个非常关键的区域，就是Java堆，用来存放我们在代码中创建的各种对象的，比如下面的代码：

public void teach(String name) {
Student student = new Student(name);
student.study();
}

上面的 “new Student(name)” 就创建了一个Student类型的对象实例，这个对象实例里面会包含一些数据。类似Student这样的对象，就会存放在Java堆内存里。

然后方法的栈帧的局部变量表里，这个引用类型的“student”局部变量就会存放Student对象的地址。你可以认为局部变量表里的“student”指向了Java堆里的Student对象。

下图展示了这个过程：

 

 

6. 方法区 / Metaspace

这个方法区是在JDK 1.8以前的版本里，代表JVM中的一块区域，主要是放类似Student类自己的信息的，平时用到的各种类的信息，都是放在这个区域里的，还会有一些类似常量池的东西放在这个区域里。

但是在JDK 1.8以后，这块区域的名字改了，叫做“Metaspace”，可以认为是“元数据空间”这样的意思，当然主要还是存放我们自己写的各种类相关的信息。

7. 本地方法栈

在JDK很多底层API里，比如IO相关的，NIO相关的，网络Socket相关的，如果大家去看他内部的源码，会发现很多地方都不是Java代码。

很多地方都会去走native方法，去调用本地操作系统里面的一些方法，可能调用的都是c语言写的方法，或者一些底层类库，比如下面这样的：

public native int hashCode();

在调用这种native方法的时候，就会有线程对应的本地方法栈，这个里面也是跟Java虚拟机栈类似的，也是存放各种native方法的局部变量表之类的信息。

关于这块，这里就不展开讲了，后续有机会我们再写文章专门阐述。

8. 堆外内存

还有一个区域，不属于JVM，通过NIO中的allocateDirect这种API，可以在Java堆外分配内存空间，然后通过Java虚拟机里的 DirectByteBuffer 来引用和操作堆外内存空间。

很多技术都会用这种方式，因为有一些场景下，堆外内存分配可以提升性能。

9. 全文总结

最后做一点总结：

  • Java代码通过JVM运行时，首先一定会一行一行执行编译好的字节码指令
  • 然后在执行的过程中，对于方法的调用，会通过Java虚拟机栈来为每个方法创建栈帧，入栈和出栈，而且栈帧里有方法的局部变量。
  • 对于对象的创建，会分配到Java堆内存里去
  • 对于类信息的存储，会放在方法区 / Metaspace这样的区域里
  • 另外有两块特殊的区域：
  • 本地方法栈：执行native方法时候用的栈，跟Java虚拟机栈是类似的
  • 堆外内存：可以在Java堆外分配内存空间来存储一些对象。