深入理解Java運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)_動(dòng)力節(jié)點(diǎn)Java學(xué)院整理
JVM體系結(jié)構(gòu)和運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)概述
要理解JVM的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū), 必須先要理解JVM的體系結(jié)構(gòu), 因?yàn)樘摂M機(jī)的體系結(jié)構(gòu)基本上解釋了“為什么會(huì)有這些運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)” 。 JVM的體系結(jié)構(gòu)如下:
由此可見(jiàn), 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的劃分, 是和JVM的體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的。 本文主要介紹運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的劃分, 對(duì)體系結(jié)構(gòu)不做深入的講解。 簡(jiǎn)單概括一下, 類加載器子系統(tǒng)用于將class文件加載到虛擬機(jī)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)中(準(zhǔn)確的說(shuō)應(yīng)該是方法區(qū)) 。 可以認(rèn)為執(zhí)行引擎是字節(jié)碼的執(zhí)行機(jī)制, 一個(gè)線程可以看做是一個(gè)執(zhí)行引擎的實(shí)例。 下面介紹運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū):
JVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)
方法區(qū)
在字面意思上, “方法區(qū)”這個(gè)詞會(huì)讓人產(chǎn)生誤解。因?yàn)榉椒▍^(qū)存放的不只是方法, 它存放的是類型信息。我們?cè)趯懗绦虻臅r(shí)候, 幾乎總是在和類, 對(duì)象打交道, 我們知道根據(jù)一個(gè)類可以創(chuàng)建對(duì)象。 一般來(lái)說(shuō), 我們操縱的是對(duì)象, 訪問(wèn)對(duì)象的屬性, 調(diào)用對(duì)象的方法等, 但是我們要思考這樣一個(gè)問(wèn)題, 虛擬機(jī)根據(jù)什么信息知道如何創(chuàng)建對(duì)象的呢? 當(dāng)然是根據(jù)這個(gè)對(duì)象的類型信息, 但是這個(gè)類型信息在哪里呢?現(xiàn)在我們知道是在方法區(qū)中。 那么類型信息是被誰(shuí)加載到方法區(qū)中的呢?由上面的體系結(jié)構(gòu)圖, 我們可以知道是類加載器子系統(tǒng)?那么所謂的類型信息, 都包含什么信息呢?這些信息又是如何存放的呢?這里的類型信息, 可以籠統(tǒng)的認(rèn)為就是我們前面講解過(guò)的一個(gè)class文件,類加載器子系統(tǒng)將會(huì)提取class文件里面的類型信息,并將這些類型信息存放到方法區(qū)中。 至于方法區(qū)中如何存放一個(gè)類型數(shù)據(jù), 是和JVM的具體實(shí)現(xiàn)相關(guān)的。 但是不管如何實(shí)現(xiàn), 一個(gè)類的類型信息總是會(huì)包含如下信息:
類的全限定名
當(dāng)前類的直接父類的全限定名
這個(gè)類是接口類型, 類類型, 還是枚舉類型
類的訪問(wèn)修飾符信息
當(dāng)前類型的超接口的全限定名
當(dāng)前類型的常量池
字段信息
方法信息
如果對(duì)class文件格式比較熟悉的話, 可以看出, 這些信息都是在class文件中描述過(guò)的。 由于我們無(wú)法看到類型信息具體是如何存儲(chǔ)的, 但是大致可以將類型信息看做一個(gè)class文件, 這有助于我們的理解。下面再次列出class文件結(jié)構(gòu)的表格,讀者可以對(duì)比class文件中的內(nèi)容到類型數(shù)據(jù)上, 該表中的各種數(shù)據(jù)已經(jīng)在前面的博客中詳細(xì)講解過(guò):
類型數(shù)據(jù)中,除了這些基本信息外, 類型信息還包括以下兩個(gè)方面:
一個(gè)到類的ClassLoader對(duì)象的引用
一個(gè)到表示該類的Class實(shí)例對(duì)象的引用
靜態(tài)變量存儲(chǔ)區(qū)
由于之前的博客中詳細(xì)介紹過(guò)class文件的格式, 對(duì)上面的一些基本信息我們可能比較熟悉, 但是對(duì)這兩種信息就比較陌生了。 其實(shí)說(shuō)來(lái)也簡(jiǎn)單,每個(gè)class都是被一個(gè)類加載器加載到方法區(qū)的, 類型信息中的到類的ClassLoader對(duì)象的引用, 表明了當(dāng)前的類是被哪個(gè)類加載器加載的, 這個(gè)信息同時(shí)也標(biāo)示了當(dāng)前的類型的名稱空間。
每當(dāng)一個(gè)class文件被成功的加載到方法區(qū)中, JVM總會(huì)創(chuàng)建一個(gè)Class對(duì)象, 來(lái)唯一標(biāo)示這個(gè)類。 這個(gè)Class對(duì)象可以看做是類加載過(guò)程的產(chǎn)物, 由于它描述了整個(gè)類型信息, 而Java中的反射也是針對(duì)的類型信息, 所以這個(gè)Class對(duì)象是反射的基石, 大多數(shù)反射API都是根據(jù)Class對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
而靜態(tài)變量也是存在于類型信息中, 可以這么說(shuō), 類型信息中, 會(huì)有專門的區(qū)域存放類的靜態(tài)變量。 與存在于對(duì)象中的實(shí)例變量不同, 靜態(tài)變量存在于類型數(shù)據(jù)中, 每個(gè)類型只有一份,所以也叫類變量。
方法區(qū)是一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較固定的內(nèi)存區(qū), 因?yàn)樗娣诺氖穷愋托畔ⅲ?而類型信息在被加載到方法區(qū)中之后, 除了必要的連接和初始化, 一般不會(huì)有較大改動(dòng),一般情況下, JVM也不會(huì)卸載類型信息, 所以方法區(qū)也可以稱為JVM的靜態(tài)區(qū)。 一個(gè)類型的生命周期一般就是整個(gè)程序的生命周期。 這也是為什么要慎用靜態(tài)變量的原因所在, 因?yàn)殪o態(tài)變量隨類型信息存放在方法區(qū)中, 生命周期很長(zhǎng), 如果使用不當(dāng), 很容易造成內(nèi)存泄露。 一個(gè)JVM實(shí)例中只存在一個(gè)方法區(qū), 方法區(qū)中的所有類型數(shù)據(jù)被所有線程共享。
堆
方法區(qū)是存放類型數(shù)據(jù)的, 而堆則是存放運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的對(duì)象的。 和C++不同的是, Java只能在堆中存放對(duì)象, 而不能在棧上分配對(duì)象, 所有運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的對(duì)象全部都存放于堆中, 包括數(shù)組。 我們知道, 在Java中, 數(shù)組也是對(duì)象。一個(gè)JVM實(shí)例中只有一個(gè)堆, 所有線程共享堆中的數(shù)據(jù)(對(duì)象) 。
Java虛擬機(jī)支持幾種不同的創(chuàng)建對(duì)象的指令, 如new , anewarray等。 這些指令執(zhí)行的結(jié)果就是在堆中分配內(nèi)存, 并創(chuàng)建對(duì)象。 但是Java虛擬機(jī)的指令集中并不包含任何釋放內(nèi)存的指令, 因而我們也就不能手動(dòng)釋放內(nèi)存。 所有被創(chuàng)建的對(duì)象都會(huì)被一個(gè)叫做垃圾收集器(GC)的模塊自動(dòng)回收, 垃圾收集器有不同的實(shí)現(xiàn)方式, 他們以 特定的方式判斷對(duì)象是否過(guò)期, 并以特定的方式對(duì)對(duì)象進(jìn)行回收, 關(guān)于垃圾收集的話題不是本文的重點(diǎn), 這里就不多說(shuō)了。 我們只要知道:所有創(chuàng)建的對(duì)象都存在堆中, 而垃圾收集器會(huì)自動(dòng)回收過(guò)期的對(duì)象, 所以,JVM的堆區(qū)是垃圾收集器的“重點(diǎn)管理區(qū)” 。
Java棧
Java棧是一個(gè)線程的執(zhí)行區(qū)域, 它保存著一個(gè)線程中的方法的調(diào)用狀態(tài), 也可以說(shuō), 一個(gè)Java線程的運(yùn)行狀態(tài), 都由一個(gè)Java棧來(lái)保存。 在這個(gè)棧中, 每一方法對(duì)應(yīng)一個(gè)棧幀, 請(qǐng)注意區(qū)分棧幀和棧這兩個(gè)概念。 棧指的是整個(gè)線程的執(zhí)行棧, 棧幀是棧中的一個(gè)單位, 每個(gè)方法對(duì)應(yīng)一個(gè)棧幀。 JVM會(huì)對(duì)Java棧執(zhí)行兩種操作: 壓棧和出棧。 這兩種操作在執(zhí)行時(shí)都是以幀(棧幀)為單位的。 當(dāng)調(diào)用了一個(gè)新的方法, 就會(huì)壓入一個(gè)棧幀, 當(dāng)一個(gè)方法調(diào)用完成, 就會(huì)彈出這個(gè)方法的棧幀, 回到調(diào)用者的棧幀。
舉例來(lái)說(shuō), 如果方法a調(diào)用了方法b, 而方法b中調(diào)用了方法c。 這個(gè)過(guò)程中的方法調(diào)用和返回的裝狀態(tài)是這樣的(其中圖中兩條虛線之間表示Java棧,每個(gè)方塊表示一個(gè)特定方法的棧幀)
Java棧上的所有數(shù)據(jù)都是線程私有的, 也就是說(shuō), 每個(gè)線程都會(huì)有自己的Java棧, 不會(huì)相互訪問(wèn)其他Java棧中的數(shù)據(jù)。
PC寄存器
pc寄存器用于存放一條指令的地址, 這條指令就是虛擬機(jī)要執(zhí)行的下一條指令。pc寄存器和線程相關(guān)聯(lián), 每一個(gè)線程都有一個(gè)PC寄存器。
本地方法棧
我們知道Java可以和C/C++互調(diào)。如果當(dāng)前線程執(zhí)行的代碼是C/C++寫的本地代碼, 那么這些方法就在本地方法棧中執(zhí)行,而不會(huì)在Java棧中執(zhí)行, Java棧中只執(zhí)行Java方法。
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