Java虛擬機底層原理

Java虛擬機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)加載到虛擬機內(nèi)存中。
2. 運行時數(shù)據(jù)區(qū)：就是俗稱的虛擬機內(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。

虛擬機調(diào)優(yōu)主要針對的是運行時數(shù)據(jù)區(qū)，也就是虛擬機內(nèi)存。

一、堆

虛擬機調(diào)優(yōu)主要針對的就是堆。當堆滿了的時候，字節(jié)碼執(zhí)行引擎就會單獨開啟一個垃圾回收線程執(zhí)行g(shù)c。

二、棧

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

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

虛擬機內(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，滿足先進后出(FILO)特性。當一個方法運行完，它對應(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文件打開是十六進制字符無法讀，需要使用javap -c進行反編譯。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：就是進行加法運算，java虛擬機進行加減乘除運算時，會從操作數(shù)棧的棧頂彈出兩個元素進行運算。這里也就是iload_1和iload_2裝載的值。并且將運算完成的結(jié)果壓回操作數(shù)棧。第7行bipush 10：將一個8位帶符號整數(shù)壓入操作數(shù)棧。這里就是后面的那個10。由于10也要占一個位置，所以這一條指令占了兩個位置，也就沒有了第8行。第9行imul：就是進行乘法運算，與第6行iadd類似。第10行istore_3：將前面運算表達式的結(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行過程中，存放操作數(shù)的臨時內(nèi)存。局部變量如果是對象類型，那么對象值實際是存在堆里的，而棧的局部變量表實際上只是保存該對象在堆內(nèi)存中的地址。

棧幀中除了局部變量表和操作數(shù)棧還有動態(tài)連接和方法出口。

每個棧幀都包含一個指向運行時常量池中該棧幀所屬方法的引用，持有這個引用是為了方法調(diào)用過程中的動態(tài)連接。Class文件中的常量池中存有大量的符號引用，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引用作為參數(shù)的，這些符號的一部分會在類加載階段或者第一次使用的時候被轉(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行期間轉(zhuǎn)化為直接引用，被稱為動態(tài)連接。因為方法的執(zhí)行對應(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調(diào)用方法的信息，比如compute()方法是main()方法調(diào)用的。當compute()方法執(zhí)行完成返回時，需要返回到上級調(diào)用方法main()繼續(xù)運行，此時需要知道一些調(diào)用方法main()的信息，比如返回到main()的哪個位置。方法出口就記錄了相關(guān)信息。

三、程序計數(shù)器

程序計數(shù)器也是屬于線程的，標識這個線程正在或者馬上要執(zhí)行的那行程序的行號。如上例中0-12就是行號，程序運行過程中，字節(jié)碼執(zhí)行引擎每執(zhí)行一行代碼，都會修改程序計數(shù)器的值。

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

四、方法區(qū)（元空間）

class文件通過類裝載子系統(tǒng)加載到虛擬機內(nèi)存中，其實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)建對象時，在對象頭中會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，如果元空間一直擴大，虛擬機可能會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，就會報OOM。

3.默認情況下，對應(yīng)一個64位的服務(wù)端JVM來說，其默認的-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高水位線，就會觸發(fā)Full GC并會卸載沒有用的類，然后高水位線的值將會被重置。

4.從第3點可以知道，如果初始化的高水位線設(shè)置過低，會頻繁的觸發(fā)Full GC，高水位線會被多次調(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不進行設(shè)置。

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