JVM 学习笔记（二）- JVM的结构

JVM 学习笔记（二）- JVM的结构

0. 结构图

1. 运行时数据区总览

1. 类加载子系统：加载的类信息存放于方法区当中，方法区当中可能还包括运行时常量池信息，包括字符串字面量和数字常量。
2. Java堆：堆在虚拟机启动的时候创建，它是Java程序最主要的内存工做区域，几乎全部的Java对象实例都存放在Java堆当中，堆空间是全部线程共享的，这是一块与Java应用密切相关的内存空间。
3. Java栈：是每个线程所私有的内存空间，Java栈是线程执行密切相关的，线程执行的基本行为是函数间的调用，每次函数调用的数据都是Java栈传递的。不管是JVM仍是计算机的操做系统，在函数调用时都须要用到栈，在Intellij idea的Debug界面中，咱们就能够看到栈信息：

其中的一项，称为一个栈帧，一个栈帧中，至少包含局部变量表、操做数栈、帧数据区几个部分。当一个函数返回时，栈帧会被从Java栈中弹出。（返回包括return和异常）

4. 本地方法栈：本地指的是Native，JVM容许Java直接调用本地方法。
5. PC：Program Counter，即程序计数器，和CPU里面的PC表示的是一个意思，即Java代码当前走到的位置。一个Java线程是在执行一个方法，这个正在执行的方法称为当前方法，若是当前方法不是本地方法，那么就指向正在执行的指令，若是执行的是本地方法，那么PC寄存器的值就是undefined。
6. 执行引擎：是java虚拟机的最核心组件之一，它负责执行虚拟机的字节码，现代虚拟机为了提升执行效率，会使用即时编译技术将方法编译成机器码后再执行。

其实，咱们能够发现，灰色的区域（Java栈、本地方法栈、程序计数器）是线程私有的，而其余的空间则是线程共用的。

2.PC、本地方法栈、 Java栈

这三者都是线程私有的。

PC 程序计数器

PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址，也即将要执行的指令代码，由执行引擎读取下一条的指令。它是一块很小的内存空间，几乎能够忽略不计，也是运行速度最快的存储区域。在JVM规范中每一个线程都有本身的程序计数器，是线程私有的，生命周期同线程周期保持一致。

PC寄存器是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等等最基础的工做都要依赖它完成。

它是惟一一个在Java虚拟机规范中，没有规定任何OOM状况的区域。也没有GC的区域。

Java 栈

每一次函数的调用，都会在调用栈上维护一个独立的栈帧，栈帧通常包括：

1. 局部变量表：是一组变量值的存储空间，用来存放方法参数和局部变量，虚拟机经过索引定位的方式使用局部变量表。储存包括八种基本数据类型、对象的引用地址,参与方法的调用和返回。

2. 操做数栈：存放方法调用时的实参，即操做数（在概念模型中各个栈帧都是相互独立的，可是实际实现时，都会使两个独立的栈帧一部分重叠，下面的部分操做数栈与上面的局部变量表重叠在一块区域，这样在方法调用时能够共用一部分的数据。）。

3. 动态连接：（略，其实就是指向运行时常量池的方法引用）。

4. 方法返回地址：方法的返回分红两个状况：

   • 首先是支持退出，退出后会根据方法的定义来决定是否要传返回值给上层的调用者；
   • 另外一种是异常致使的方法的结束，这种状况不会讲返回值传给上层的调用方法。

不管是异常仍是正常，退出方法的时候，都会退出到最开始的调用处。

1. 若是是正常退出，那么调用者的PC 寄存器便可做为返回地址。
2. 若是是异常退出，那么就参照异常处理表来肯定。

本地方法栈

本地方法本质上时依赖于实现的，虚拟机实现的设计者们能够自由地决定使用怎样的机制来让Java程序调用本地方法。

3. Java 堆

一个JVM只存在一个堆内存，堆是Java内存管理的核心区域。它在JVM虚拟机建立时即被建立，大小就已经肯定了，是JVM所管理的最大的一块内存空间。堆在物理上不要求其连续，可是在逻辑上要求是连续的。全部的线程共享Java堆，能够在堆中划分线程私有的缓冲区。

Java 7 之前的堆内存区分

区分为 ： 新生代 + 老年代 + 永久代

Java 8 及以后的堆内存区分

区分为：新生代 + 老年代 + 元空间

1.内存划分和JVM的一项重要的功能：GC（垃圾回收）有很是大的关系，不一样的对象，不一样区的对象GC回收的频率不一样，主要参照GC算法。
2. 咱们建立的对象（至关多的一部分都是临时对象），存放在新生代，使用相对短的时间便可被回收的，若是没有被回收的就说明，这个对象的使用频率相对来讲高，屡次GC都不能回收。而永久代则用于存储class、运行时常量池、字段、方法、代码、JIT代码等。
3. 永久代和方法区是什么关系？ 永久代是方法区的一种实现，咱们规定类加载后生成的Class对象放在方法区当中，这是JVM的规范的一部分，可是并无说：必须开辟一个内存，名称为方法区。实际上咱们选择在永久代中构建方法区，来存储这些对象。也不是全部虚拟机都有永久代的，咱们使用的HotSpot的JVM中的虚拟机只存在于JDK7以前，JDK8及以后被MetaSpace（元空间）所替代了。
4. GC算法和堆内存的划分是什么关系？ GC算法主要是根据一些列的规则判断该对象是否还有存活的价值，及时释放无关对象能够节省空间。而堆内存的划分则和GC的频率有关系，各自划份内的GC算法也不相同。

• 新生代：GC的频率相对较高。
• 老年代：GC的频率相对较低。
• 永久代：主要是GC一些卸载的类和废弃的常量。

4. 执行引擎

字节码读入JVM后，机器并不能读懂字节码，只有JVM自身能读懂它，因此JVM必须作一件事情，将JVM翻译成相关平台的机器码（01），具体的过程在这章不作展开。这里讲讲在Android中使用的JIT技术和AOT技术，前者是动态编译，然后者是静态编译。

即时编译（Just-in-Time）

早期的Android（Android 2.1及以前）应用程序执行Java代码其实是解释器将每一个Java指令 翻译成 等价的几条微处理器指令，而且，根据转译后的指令一条一条地按照次序进行执行。这样的执行方式须要在执行前进行翻译，运行是可想而知的低效。

Android2.2 以后 引入了JIT技术，该技术简单来讲就是：每遇到一个Class文件，JIT就会对这个类进行编译，生成至关精简的二进制码，花费少量的编译时间来换取后续执行的速率。JIT的提出对性能提高是比较大的，可是确实十分有限的。由于某些Java文件是极少执行的，编译他们的时间有可能远远长于翻译器翻译他们的时间。总体下来，花费的时间并无减小。

后来，基于JIT的经验，又提出了动态编译器，动态地预判那些须要编译，哪些须要翻译，因此动态编译器是既包含了编译器、又包含了解释器的。

Java文件进行编译后，都是字节码文件（ByteCode），不管是传统的JVM，或者是Dalvik、ART虚拟机，只是各类虚拟机下的ByteCode的组成方式有所差别。其中，JVM对应的运行文件是.Class文件，而Dalvik对应的则是.dex文件，DVM专门对移动操做系统的特性进行了优化，而且基于寄存器进行设计。指令集具备很大的不一样。（基于寄存器进行设计的内容可参考RISC：即精简指令系统计算机，指令精简且关键，更多地依赖寄存器来获取更快的速度和更低的功耗）

AOT(Ahead-Of-Time)

Ahead-Of-Time技术。

ART模式（Android runtime）做为一个可选功能在Android 4.4的开发者选项中首次出现，做为Davlik的备选项，ART在安装时就会进行编译动做，编译的文件也再也不是一个字节码，而是具体的可执行文件，能够运行在更为底层的硬件上，这样在运行时，就省下了预编译和翻译的时间。该可执行文件本质上是一个ELF文件（是一种用于二进制文件、可执行文件、目标代码、共享库、核心转储格式文件），在Android中，咱们没法找到显式存在的OAT文件，其实OAT文件仍然是以.odex做为后缀的，经过file命令或者UE打开能够看到ELF头部。

ART设计是考虑兼容性的，即便是早期编译的Android Project中的Dex文件也能够在运行ART模式的Android设备上使用。这是经过dex2oat作到的，dalvik下的dex、odex文件都可以经过这个工具转化为oat文件，而且odex文件将比dex文件编译的更快。

Odex文件即Optimize Dex，对dex文件的优化，最直观的好处：decodex在系统第一次开机时，须要提取全部APK中的Dex文件，而Odex优化是提早提取出来了，这样运行速度和开机速度都有提升。其次Odex优化后，APK中能够没有Dex文件，而为Odex在Apk包中有一份Dex文件，在/data/dalvik-cache下还有提取出来的一份，浪费存储空间。必定程度上保护了硬件厂商本身的APK，由于APK中只有资源文件，反汇编并无意义。具体的代码都在Odex之中了。

也正是由于AOT技术，在搭载Android 5.0系统的机器上，初始化后或者是初次开机启动很是的慢，由于系统会提取全部App的dex字节码，优化而且拷贝到/data/dalvik-cache缓存目录中，所以，第一次启动耗时会明显更高。

在Android 7.0 中，JIT被从新启用，采用AOT/JIT 混合编译的策略，特色是：

1. 应用在安装的时候dex不会再被编译
2. App运行时,dex文件先经过解析器被直接执行，热点函数会被识别并被JIT编译后存储在 jit code cache 中并生成profile文件以记录热点函数的信息。
3. 手机进入 IDLE（空闲） 或者 Charging（充电） 状态的时候，系统会扫描 App 目录下的 profile 文件并执行 AOT 过程进行编译。

参考来源

1.Java JVM堆空间的概述 2.JVM的基本结构及其各部分详解（一）

1. 说一说Android的Dalvik，ART与JIT，AOT