這是一篇你能看懂 Java JVM 文章

(本文參考深入理解JAVA虛擬機器第二版第2章)
複製程式碼

一、認識Java環境

在講 JVM 之前，先講講 JDK、JRE和 JVM 的關係，如下面這張圖(圖片來自百度圖片)：

可以看到他們的包含關係是 JDK>JRE>JVM

• JDK：jdk是支援 JAVA程式開發的最小環境，整合了JRE和一些工具包，如 javac，jar等；比如一個可執行jar，你就需要安裝了jdk，才能執行起來
• JRE：是Java執行時的標準環境，除了JVM的環境還有一些基本的JAVA庫，比如介面的 swing、I/O等

JVM：熟稱Java虛擬機器，也叫執行時資料區域，是保證跨平臺的基本，因為 jvm 只認識位元組碼，只要linux、window、mac 有jvm 都是可以編譯執行的；當然它還有一個

而這裡，我們就需要講解 JVM 這個 執行時資料區域的分佈了，如下圖(圖片來自百度圖片，稍微修改了一點)：

上面解釋了一個java程式是怎麼執行的，其中 記憶體空間這裡，就是 JVM 了；

• 執行緒共享區：即程式執行時，資料在各個執行緒之間是共享的，比如某個方法，某個類，還有一些執行時常量
• 執行緒私有區：各個執行緒之間的資料是獨立的，比如多執行緒的資料

為了方便解釋，這裡的順序不會像上圖那裡的順序來；

二、執行緒私有區

2.1、程式計算器

首先先了解程式計算器，執行緒(UI執行緒)中程式語句的執行都離不開它，對它的解釋如下：

1. 是一塊較小的記憶體存於，可以看做當前執行緒執行位元組碼時的行號指示器
2. 程式的執行，比如跳轉、迴圈等指令，就是通過改變計算器的數值，來選取下一條需要執行的位元組碼指令
3. 多執行緒時，每個執行緒的程式計算器都是獨立的，相互不干擾，獨立儲存；即記錄每次執行緒的位置，方便下次執行緒切換過來，知道上次執行緒的執行到哪了

2.2 虛擬機器棧

結合方法去中的一些變數和常量去理解會比較好
複製程式碼

虛擬機器棧也是執行緒私有的，與執行緒的生命週期相同；它對應著執行緒的記憶體模式，每個方法在執行的時候，都有一個棧幀用於儲存區域性表，運算元棧、動態連結、方法出口等資訊；每個方法的執行，都對應著一個棧幀在虛擬機器棧中的入棧和出棧，如下圖(網上找的,當時保留的，具體哪位的有點忘了，看到可以聯絡我)

區域性變數表：

• 儲存了編譯器存放著各種基本資料型別(boolean、byte、char等)
• 物件引用型別，這裡的物件不是物件本身，可能是物件的定址指標，也可能是控制程式碼或者相關位置
• returnAddress 型別，指向了一條位元組碼指令的地址

當進入一個方法時，這些變數在幀中分配的記憶體大小時固定的，在執行時不會改變區域性變數表的大小。針對這個區域，規定了兩種異常情況

• 如果虛擬機器不支援動態擴充套件，當執行緒請求的棧大小大於虛擬機器規定的大小時，丟擲 StackOverflowError
• 如果虛擬機器棧可以動態擴充套件，如果擴充套件時，無法申請到足夠的記憶體，丟擲 OutOfMemoryError

運算元棧：

運算元棧，也可以稱做操作棧，它可以是 Java 的任意型別，在資料提取時入棧和出棧，比如 int a = 1 + 2;在把1,2入到這個操作的棧的時候，也會把1,2提取出來，再分配給 a； 動態連線：

可以這樣理解，比如執行緒中的一個A方法，在類載入的時候，它只是一個符號引用，在執行期間，轉換為直接引用，這種稱為動態連線，關於符號引用，後面會說道。 方法出口： 其實就是返回地址，當方法執行完畢或者手動退出時，就出棧了，用來記錄一些資訊，比如恢復區域性變數等資訊

2.3 本地方法棧

本地方法棧與虛擬機器棧的作用非常相似；只不過虛擬機器棧執行的是 java 的位元組碼服務，而本地方法棧執行的是 Native 方法服務； 本地方法棧同樣會穿件棧幀，如區域性變數表、操作棧等資訊，同時也有 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 異常

三、執行緒共享區

3.1 Java 堆：

是Java虛擬機器鎖管理的記憶體中最大的一塊，在虛擬機器啟動建立時，此記憶體區域的唯一目的就是存放物件例項，幾乎所有的物件例項都是在這分配記憶體的； Java 堆是記憶體回收的主要區域，也叫 GC 堆；根據規定，Java堆的實體地址可以是不連續的，只要保證邏輯上是連續的即可。由於Java 堆基本採用分代手機演算法，所以也可以分為：新生代和老年代；再細緻分，也可以分為 Eden空間，From Survivor 空間、To Surivivor 空間等涉及到的GC回收演算法，後面再開章節介紹。

3.2 方法堆

方法堆也是執行緒共享的一個區域塊，它用於儲存虛擬機器載入的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器編譯後的程式碼等資料。雖然Java虛擬機器規範把方法區規定為 Java 堆的一個邏輯模組，但它還有一個方法，叫 Non-Heap (非堆) ，目的就是為了和 Java堆區分開來

3.2.1 執行時常量池

執行時常量池，其實算方法區的一部分。Class檔案中除了有 類的版本、欄位、方法、介面等資訊外；還有一項資訊就是常量池，用於存放編譯期生成的字面量和字元引用，如下圖： (圖片來源 blog.csdn.net/wangbiao007…)

四、直接記憶體

在JDK1.4中，新增加了一個 NIO（New Inout/Outinput）類，引入了一種基於通道(channel)與緩衝區（buffer）的I/O方式，它可以使用 Native 函式庫直接分配堆外記憶體，然後通過一個儲存在Java 堆中的 DirectByteBuffer 物件作為這塊記憶體的引用進行操作。這樣在一些場景中能夠顯著提升技能，避免了資料再 Java 堆和 Native 堆中來回複製資料，常見的通道型別有：

• FileChannel：從檔案中讀寫資料
• DatagramChannel：從UDP中讀寫資料
• SocketChannel：從TCP中讀寫資料
• ServerSocketChannel：用來監聽 websocket 的連線

具體案例可以查詢NIO的具體案例 直接記憶體，不是虛擬機器執行時記憶體區的一部分，也不是Java規範中定義的記憶體區域。但既然是記憶體，如果 超過了 RAM 和 SWAP 定址空間限制，還是會報OutOfMemoryError的。

五、HotSpot 虛擬機器物件探祕

上面瞭解了 JVM 的一些知識之後，那麼一個物件的建立是怎麼樣的呢？物件的建立，可以分為以下幾個步驟

類載入

當虛擬機器遇到一個 new 指令的時候，會先去檢測這個指令的引數是否能定位到這個類的符號引用，並檢查這個類是否被載入、解釋或初始化過。如果沒有，則執行類載入 (後面新開一章解釋)

記憶體分配

在類載入通過之後，虛擬機器將為新生物件分配記憶體，物件所需記憶體的大小在類載入完成後便可完全確定，相當於從Java堆中抽取一塊記憶體出來；而根據記憶體的是否絕對規整，分為 指標碰撞 和 空閒列表 兩種分配方式：

• 指標碰撞：假設Java堆中的記憶體只絕對規整的，分為空閒和非空閒兩種，中間用一個指標當做劃分界限的指示器；當一個新物件需要分配物件時，相當於把指標向空閒區域移動一段與物件大小相等的距離
• 空閒列表：假設Java堆的記憶體不是絕對規整的，空閒和非空閒是相互交錯的，那就需要一個列表，用來記錄哪些記憶體塊是可以用的，在物件分配記憶體時，劃分一塊大小相等的區域給物件，並更新這個列表

從上面的解釋看，用哪種分配方式，是通過Java堆的記憶體塊是否絕對規整決定的。

記憶體分配

但物件的建立是頻繁的，在併發的情況，多執行緒不一定是安全的，即存在A物件在分配記憶體，指標還未來得及修改，B物件也同時使用了原來的指標來分配物件。所以又衍生了兩種解決辦法，CAS+失敗重試 和 TLAB兩種方式

• CAS+失敗重試：虛擬機器採用CAS配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性 (關於CAS鎖，是樂觀鎖的一種實現，解釋起來也比較麻煩，可以參考這裡：www.cnblogs.com/javalyy/p/8…)
• TLAB：本地執行緒分配緩衝，把記憶體分配的動作按照執行緒分配劃分在不同的空間中進行，即每個執行緒在Java堆中預先分配一小塊記憶體，哪個執行緒需要需要分配，先在 TLAB 中分配，用完了並重新分配新的TLAB時，才需要同步鎖定。

初始值為零

在記憶體分配完成之後，虛擬機器需要將分配到的記憶體空間初始化為零值 (除物件頭外)，這一步操作也保證了物件的例項欄位在java程式碼中可以不賦初始值就可以使用，因為程式能訪問這些欄位的資料型別所對應的零值。

設定物件頭

初始值設定之後，怎麼知道物件是哪個類的例項，如何才能找到類的後設資料資訊、雜湊碼、GC分代年齡等資訊呢？這就需要對物件頭進行一些必要的設定，才能定位到，詳細在5.2節介紹。

入棧，執行init指令：

從虛擬機器來看，物件已經分配產生完成了，且入棧了；但 Java 程式來看，這才剛開始，所以，new 之後，則執行 init 方法，進行初始化。

5.2 物件的記憶體分佈

上面講解了物件在 虛擬機器的分配之後，再擴充套件一下，物件在記憶體中是怎麼分配的呢，物件在記憶體中的儲存佈局可分為 3個部分：

物件頭

其中，物件頭可以再細分為兩部分：

• 儲存物件自身的執行時資料：如雜湊碼、GC分代年齡、鎖狀態標誌、執行緒持有的、偏向執行緒ID等資訊
• 型別指標：即物件指向它的類後設資料的指標，虛擬機器通過這個來確定這個物件是哪個類的例項

例項資料

是物件真正儲存的有效資訊，比如程式中定義的各種型別的欄位內容，無論父類和子類都會記錄下來；在分配時，相同寬度的欄位會被分配到一起，這也是父類定義的變數會出現在子類之前的原因。

對齊填充

沒啥實際意義，只是為了保證物件是8位元組的整數倍，沒對齊時，用來補全而已。

5.3 物件的訪問定位

建立物件是為了使用物件，Java 程式需要通過棧上的 reference 資料來操作堆上的具體物件；但這些訪問方式取決於虛擬機器實現而定，目前主流有控制程式碼和直接指標兩種:

• 控制程式碼：從Java 堆中劃分出一塊記憶體用來作為控制程式碼池，reference 中儲存的就是物件的控制程式碼地址，而控制程式碼包含了物件例項資料與型別資料各自的具體地址資訊，如下圖(圖片來自Java虛擬機器第三版)

  

• 直接指標在直接指標中，reference 儲存的就是物件地址，所以，需要考慮的是如何防止訪問型別資料的相關資訊(圖片來自Java虛擬機器第三版)

  

優點介紹： 控制程式碼：使用控制程式碼好處是，reference中存放的是文件的控制程式碼地址，物件被移動時，只改變控制程式碼的例項資料指標，而reference 本身不需要修改 直接指標：使用直接指標的最大好處就是速度更快，節省了指標定位的開銷；

擴充套件

為什麼字串拼接的時候，不適合用 String ，而應該使用 StringBuilder 或者 StringBuffer ？ 比如 String = "abc"; (可參考常量池來解釋喲)