InsideJVM(3)--Method area（方法區） (轉)

InsideJVM(3)--Method area（方法區） (轉)[@more@]

 

方法區
在一個jvm例項的內部，型別資訊被在一個稱為方法區的
邏輯區中。型別資訊是由類載入器在類載入時從類中提取出來
的。類(靜態)變數也儲存在方法區中。

jvm實現的設計者決定了型別資訊的內部表現形式。如，多位元組變數
在類檔案是以big-endian儲存的，但在載入到方法區後，其存放
形式由jvm根據不同的平臺來具體定義。

jvm在執行應用時要大量使用儲存在方法區中的型別資訊。在型別資訊
的表示上，設計者除了要儘可能提高應用的執行外，還要考慮空間
問題。根據不同的需求，jvm的實現者可以在時間和空間上追求一種平
衡。

因為方法區是被所有執行緒共享的，所以必須考慮資料的執行緒。假如
兩個執行緒都在試圖找lava的類，在lava類還沒有被載入的情況下，只
應該有一個執行緒去載入，而另一個執行緒等待。

方法區的大小不必是固定的，jvm可以根據應用的需要動態調整。同樣
方法區也不必是連續的。方法區可以在堆(甚至是虛擬機器自己的堆)中
分配。jvm可以允許和指定方法區的初始大小，最小和最大尺
寸。

方法區同樣存在垃圾收集，因為透過使用者定義的類載入器可以動態
擴充套件程式，一些類也會成為垃圾。jvm可以回收一個未被引用
類所佔的空間，以使方法區的空間最小。

型別資訊
對每個載入的型別，jvm必須在方法區中儲存以下型別資訊：
一 這個型別的完整有效名
二 這個型別直接父類的完整有效名(除非這個型別是interface或是
  java.lang.，兩種情況下都沒有父類)
三 這個型別的修飾符(public,abstract, final的某個子集)
四 這個型別直接介面的一個有序列表

型別名稱在java類檔案和jvm中都以完整有效名出現。在java
中，完整有效名由類的所屬包名稱加一個"."，再加上類名
組成。例如，類Object的所屬包為java.lang，那它的完整
名稱為java.lang.Object，但在類檔案裡，所有的"."都被
斜槓“/”代替，就成為java/lang/Object。完整有效名在
方法區中的表示根據不同的實現而不同。

除了以上的基本資訊外，jvm還要為每個型別儲存以下資訊：
 型別的常量池( constant pool)
 域(Field)資訊
 方法(Method)資訊
 除了常量外的所有靜態(static)變數

常量池
jvm為每個已載入的型別都維護一個常量池。常量池就是這個
型別用到的常量的一個有序集合，包括實際的常量(string,
integer, 和floating point常量)和對型別，域和方法
的符號引用。池中的資料項象陣列項一樣，是透過訪問的。
因為常量池儲存了一個型別所使用到的所有型別，域和方法的
符號引用，所以它在java程式的動態連結中起了核心的作用。

域資訊
jvm必須在方法區中儲存型別的所有域的相關資訊以及域的宣告順序，
域的相關資訊包括：
域名
域型別
域修飾符(public, private, protected,static,final
  volatile, transient的某個子集)
 
方法資訊
jvm必須儲存所有方法的以下資訊，同樣域資訊一樣包括宣告順序
方法名
方法的返回型別(或 void)
方法引數的數量和型別(有序的)
方法的修飾符(public, private, protected, static, final,
  synchronized, native, abstract的一個子集)
除了abstract和native方法外，其他方法還有儲存
方法的位元組碼(bytecodes)
運算元棧和方法棧幀的區域性變數區的大小   
異常表

類變數(
  Class Variables
  譯者:就是類的靜態變數，它只與類相關，所以稱為類變數
)
類變數被類的所有例項共享，即使沒有類例項時你也可以訪問它。
這些變數只與類相關，所以在方法區中，它們成為類資料在邏輯上
的一部分。在jvm使用一個類之前，它必須在方法區中為每個
non-final類變數分配空間。

常量(被宣告為final的類變數)的處理方法則不同，每個常量都
會在常量池中有一個複製。non-final類變數被儲存在宣告它的
類資訊內，而final類被儲存在所有使用它的類資訊內。

對類載入器的引用
jvm必須知道一個型別是由啟動載入器載入的還是由使用者類載入器載入的。
如果一個型別是由使用者類載入器載入的，那麼jvm會將這個類載入器的
一個引用作為型別資訊的一部分儲存在方法區中。

jvm在動態連結的時候需要這個資訊。當解析一個型別到另一個型別的引用
的時候，jvm需要保證這兩個型別的類載入器是相同的。這對jvm區分
名字空間的方式是至關重要的。

對Class類的引用
jvm為每個載入的型別(譯者：包括類和介面)都建立一個
java.lang.Class的例項。而jvm必須以某種方式把
Class的這個例項和儲存在方法區中的型別資料聯絡起來。

你可以透過Class類的一個靜態方法得到這個例項的引用
// A method declared in class java.lang.Class:
public static Class forName(String className);

假如你forName("java.lang.Object")，你會得到與
java.lang.Object對應的類。你甚至可以透過這個
得到任何包中的任何已載入的類引用，只要這個類能夠被載入
到當前的名字空間。如果jvm不能把類載入到當前名字空間，
forName就會丟擲ClassNotFoundException。
(譯者：熟悉COM的朋友一定會想到，在COM中也有一個稱為
  類物件(Class Object)的東東，這個類物件主要
  是實現一種工廠，而java由於有了jvm這個中間
  層，類物件可以很方便的提供更多的資訊。這兩種類物件
  都是Singleton的)

也可以透過任一物件的getClass()函式得到類物件的引用，
getClass被宣告在Object類中：
// A method declared in class java.lang.Object:
public final Class getClass();
例如，假如你有一個java.lang.Integer的物件引用，可以
啟用getClass()得到對應的類引用。

透過類物件的引用，你可以在執行中獲得相應類儲存在方法區
中的型別資訊，下面是一些Class類提供的方法：
// Some of the methods declared in class java.lang.Class:
public String getName();
public Class getSuperClass();
public boolean isInterface();
public Class[] getInterfaces();
public Claoader getClassLoader();

這些方法僅能返回已載入類的資訊。getName()返回類的完整名，
getSuperClass()返回父類的類物件，isInterface()判斷
是否是介面。getInterfaces()返回一組類物件，每個類物件
對應一個直接父介面。如果沒有，則返回一個長度為零的陣列。
getClassLoader()返回類載入器的引用，如果是由啟動類載入器
載入的則返回null。所有的這些資訊都直接從方法區中獲得。

方法表
為了提高訪問效率，必須仔細的設計儲存在方法區中的資料資訊
結構。除了以上討論的結構，jvm的實現者還可以新增一些其他的
資料結構，如方法表。jvm對每個載入的非虛擬類的型別資訊中都
新增了一個方法表，方法表是一組對類例項方法的直接引用(包括
從父類繼承的方法)。jvm可以透過方法表啟用例項方法。
(譯者：這裡的方法表與C++中的虛擬函式表一樣，但java方法全都
  是virtual的，自然也不用虛擬二字了。正像java宣稱沒有
  指標了，其實java裡全是指標。更安全只是加了更完備的檢查
  機制，但這都是以犧牲效率為代價的,個人認為java的設計者
  始終是把安全放在效率之上的，所有java才更適合於開發)

一個例子
為了顯示jvm如何使用方法區中的資訊，我們據一個例子，我們
看下面這個類：
class Lava {
  private int speed = 5; // 5 kilometers per hour
  void flow() {
  }
}

class Volcano {
  public static void main(String[] args) {
  Lava lava = new Lava();
  lava.flow();
  }
}
下面我們描述一下main()方法的第一條指令的位元組碼是如何被
的。不同的jvm實現的差別很大，這裡只是其中之一。

為了執行這個程式，你以某種方式把“Volcano"傳給了jvm。有了
這個名字，jvm找到了這個類檔案(Volcano.class)並讀入，它從
類檔案提取了型別資訊並放在了方法區中，透過解析存在方法區中的
位元組碼，jvm啟用了main()方法，在執行時，jvm保持了一個指向當前
類(Volcano)常量池的指標。

注意jvm在還沒有載入Lava類的時候就已經開始執行了。正像大多數的
jvm一樣，不會等所有類都載入了以後才開始執行，它只會在需要的時候
才載入。

main()的第一條指令告知jvm為列在常量池第一項的類分配足夠的記憶體。
jvm使用指向Volcano常量池的指標找到第一項，發現是一個對Lava類
的符號引用，然後它就檢查方法區看lava是否已經被載入了。

這個符號引用僅僅是類lava的完整有效名”lava“。這裡我們看到為了jvm
能儘快從一個名稱找到一個類，一個良好的資料結構是多麼重要。這裡jvm
的實現者可以採用各種方法，如hash表，查詢樹等等。同樣的演算法可以用於
Class類的forName()的實現。

當jvm發現還沒有載入過一個稱為"Lava"的類，它就開始查詢並載入類
檔案"Lava.class"。它從類檔案中抽取型別資訊並放在了方法區中。

jvm於是以一個直接指向方法區lava類的指標替換了常量池第一項的符號
引用。以後就可以用這個指標快速的找到lava類了。而這個替換過程稱為
常量池解析(constant pool resolution)。在這裡我們替換的是一個
native指標。

jvm終於開始為新的lava物件分配空間了。這次，jvm仍然需要方法區中
的資訊。它使用指向lava資料的指標(剛才指向volcano常量池第一項的指標)
找到一個lava物件究竟需要多少空間。

jvm總能夠從儲存在方法區中的型別資訊知道某型別物件需要的空間。但一個
物件在不同的jvm中可能需要不同的空間，而且它的空間分佈也是不同的。
(譯者：這與在C++中，不同的也有不同的物件模型是一個道理)

一旦jvm知道了一個Lava物件所要的空間，它就在堆上分配這個空間並把這個例項
的變數speed初始化為預設值0。假如lava的父物件也有例項變數，則也會初始化。

當把新生成的lava物件的引用壓到棧中，第一條指令也結束了。下面的指令利用這個
引用啟用java程式碼把speed變數設為初始值，5。另外一條指令會用這個引用啟用
Lava物件的flow()方法。