Java虛擬機器體系結構深入研究總結

工作以來，程式碼越寫越多，程式也越來越臃腫，效率越來越低，對於我這樣一個追求完美的程式設計師來說，這是絕對不被允許的，於是除了不斷優化程式結構外，記憶體優化和效能調優就成了我慣用的“伎倆”。

要對Java程式進行記憶體優化和效能調優，不瞭解虛擬機器的內部原理(或者叫規範更嚴謹一點)是肯定不行的，這裡推薦一本好書《深入Java虛擬機器(第二版)》(Bill Venners著，曹曉剛 蔣靖 譯，實際上本文正是作者閱讀本書之後，對Java虛擬機器的個人理解闡述)。當然了，瞭解Java虛擬機器的好處並不僅限於上述兩點好處。從更深一點的技術層面上看，瞭解Java虛擬機器的規範和實現，將更加有助於我們編寫高效、穩定的Java程式碼。比如，假如瞭解Java虛擬機器的記憶體模型，瞭解虛擬機器的記憶體回收機制，那麼我們就不會過分依賴它，而會在需要的時候顯式的”釋放記憶體”(Java程式碼不能顯式釋放記憶體，但是可以通過釋放物件引用告知垃圾回收器回收該物件需要被回收)，以降低不必要的記憶體消耗；假如我們瞭解Java棧的工作原理，那麼我們就可以通過減少遞迴層數，減少迴圈次數來降低堆疊溢位的風險。可能對於應用開發人員來說，可能不會直接去涉及這些Java虛擬機器底層實現的工作，但是瞭解這些背景知識，或多或少，都會對我們寫的程式產生潛移默化的好的影響。

本篇文章，將簡明扼要的說明Java虛擬機器的體系結構和記憶體模型，如有用詞不妥或解釋不準確之處，請不吝指正，深感榮幸!

Java 虛擬機器體系結構

類裝載子系統

Java虛擬機器有兩種類裝載器，分別是啟動類裝載器和使用者自定義裝載器。

通類裝載子系統通過類的全限定名（包名和類名，網路裝載還包括 URL）將 Class 裝載進執行時資料區。對於每一個被裝載的型別，Java虛擬機器都會建立一個java.lang.Class類的例項來代表該型別，該例項被放在記憶體中的堆區，而裝載的型別資訊則位於方法區，這一點和所有其他物件都是一樣的。

類裝載子系統在裝載一個型別前，除了要定位和匯入對應的二進位制class檔案外，還要驗證匯入類的正確性，為類變數分配並初始化記憶體，以及解析符號引用為直接引用，這些動作嚴格按照以下順序進行：

1）裝載——查詢並裝載型別的二進位制資料；

2）連線——執行驗證，準備以及解析(可選)

3）驗證 確保被匯入型別的正確性

4）準備 為類變數分配記憶體，並將其初始化為預設值

5）解析 把型別中的符號引用轉換為直接應用

方法區

對於每一個被類裝載子系統裝載的型別，虛擬機器都會儲存下列資料到方法區：

• 型別的全限定名
• 型別超類的全限定名(java.lang.Object沒有超類)
• 型別是類型別還是介面型別
• 型別的訪問修飾符
• 任何直接超介面的全限定名有序列表

除了上述基本型別資訊，還將儲存如下資訊：

• 型別的常量池
• 欄位資訊(包括欄位名、欄位型別、欄位修飾符)
• 方法資訊(包括方法名、返回型別、引數的數量和型別、方法修飾符，如果方法不是抽象和本地的，還將儲存方法的位元組碼、運算元棧和該方法棧幀中的區域性變數區的大小和異常表)
• 常量以外的所有類變數(其實就是類的靜態變數，因為靜態變數是所有例項共享的，且與型別直接相關，所以他們是類一級的變數，作為類的成員被儲存在方法區)

一個到類ClassLoader的引用

//返回的就是剛才儲存的ClassLoader引用   
String.class.getClassLoader();

一個到Class類的引用

//將返回剛才儲存的Class類的引用   
String.class;

注意，方法區也是可以被垃圾回收器回收的。

堆

Java程式在執行時建立的所有類例項或陣列都放在同一個堆中，而每一個Java虛擬機器也是有一個對空間，所有執行緒共享一個堆(這就是一個多執行緒的Java程式會產生物件訪問的同步問題的原因了)。

由於每一種Java虛擬機器都有對虛擬機器規範的不同實現，所以我們可能不知道每一種Java虛擬機器在堆中是以何種形式表示物件例項的，不過我們可以通過下面這可能的實現來一窺端倪：

程式計數器

對於執行中的Java程式而言，每一個執行緒都有自己的PC（程式計數器）暫存器，它是在該執行緒啟動時建立的，大小為一個字長，用來儲存需要被執行的下一行程式碼的位置。

Java棧

每一個執行緒都有一個Java棧，以棧幀為單位儲存執行緒的執行狀態。虛擬機器對Java棧的操作有兩種：壓棧和出棧，二者都已幀為單位。棧幀儲存了傳入引數、區域性變數、中間運算結果等資料，在方法完成時被彈出，然後釋放。

看一下兩個區域性變數相加時棧幀的記憶體快照

本地方法棧

這是 Java 呼叫作業系統本地庫的地方，用來實現 JNI（Java Native Interface，Java 本地介面）

執行引擎

Java虛擬機器的核心，控制裝入 Java 位元組碼並解析；對於執行中的Java程式而言，每一個執行緒都是一個獨立的虛擬機器執行引擎的例項，從執行緒生命週期的開始到結束，他要麼在執行位元組碼，要麼在執行本地方法。

本地介面

連線了本地方法棧和作業系統庫。

注:文中所有提到”Java虛擬機器”的地方都是指”JavaEE和JavaSE平臺的Java虛擬機器規範”。