深扒JVM，对它进行“开膛破肚”式解析！

1. 打怪升级，你绕不开JVM

JVM，对Java程序员进阶而言，是一个绝对绕不开，也不能绕开的话题。

在你打怪升级、进阶蜕变的路上，势必会遇到项目上线中各类OOM、GC等问题，此时JVM的功底就相当重要了。

这篇文章，咱们将从本身写的代码运行角度出发，将JVM“开膛破肚”。看看咱们写的代码，在JVM的各区域都干了些啥？

多说一句，对于Java工程师的面试，JVM也是必问的一环，所以不管从面试仍是实际工做，你都颇有必要夯实本身的JVM功底。

扯得有点远，赶忙拉回来，立刻进入正题！

2. JVM 区域划分

jvm的区域，大体有如下几块：

• 程序计数器
• 虚拟机栈
• 堆
• 方法区
• 本地方法栈

接下来咱们将JVM当成一个生物体，上述部分就是其不一样器官。咱们将从本身写的Java代码如何经过JVM来运行这一角度，来分析JVM里这些“器官”是如何支撑咱们的Java代码跑起来的。

3. 程序计数器

假设咱们有以下的一个类，就是最最基本的一个HelloWorld而已：

public class HelloWorld {

public static void main(String[] args) {

System.out.println("Hello World");

}

}

上面那段代码首先会存在于 “.java” 后缀的文件里，这个文件就是java源代码文件。

可是这个文件是面向咱们程序员的，计算机是看不懂这段代码的。

因此此时就得经过编译器，把“.java”后缀的源代码文件编译为“.class”后缀的字节码文件。

这个“.class”后缀的字节码文件里，存放的就是对你写出来的代码编译好的字节码了。

字节码才是计算器能够理解的一种语言，而不是咱们写出来的那一堆代码。这个字节码看起来大概是下面这样的：

 

 

 

注：这段字节码并非彻底对照着HelloWorld那个类来写的，就是给一段示例，让你们知道“.java”翻译成的“.class”是大概什么样子的。

大概给各位解释一下，图中好比“0: aload_0”这样的就是“字节码指令”，他对应了一条条机器指令，计算机只有读到这种机器码指令，才知道具体应该要干什么。

好比字节码指令可能会让计算机从内存里读取某个数据，或者把某个数据写入到内存里去。各类各样的指令，会指示计算机去干各类各样的事情。

因此到这里，你们首先明白的第一点：Java代码是会被翻译成字节码的，不一样字节码指令指挥计算机干不一样的事情。

那么在执行字节码指令的时候，JVM里的程序计数器做用是啥呢？

答案是：用来记录每一个线程当前执行的字节码指令的位置，即记录当前线程目前执行到了哪一条字节码指令。

在实际中，会有多个线程并发执行各类不一样的代码，因此每一个线程都有本身的程序计数器，专门记录当前线程目前执行到了哪一条字节码指令。

下图更加清晰的展现出了他们之间的关系。

 

 

 

4. Java虚拟机栈

好，咱们接着来看。你们都清楚，Java代码执行时，必定是线程来执行某个方法中的代码。就算是最基础的 HelloWorld ，也会有一个main线程来执行main方法里的代码。

在方法里，常常会定义一些方法内的局部变量，好比下面这样，在方法里定义了一个局部变量“name”。

public void sayHello() {

String name = "hello";

}

因此我们JVM的这个“器官”就要出场了，JVM必须有一块区域是来保存每一个方法内的局部变量等等数据的，这个区域就是Java虚拟机栈

为何须要这个区域？由于每一个线程都会去执行各类方法的代码，方法内还会嵌套调用其余的方法，因此每一个线程都要有本身的Java虚拟机栈。

若是线程执行了一个方法，那么就会为这个方法调用建立对应的一个栈帧

栈帧里就有这个方法的局部变量表 、操做数栈、动态连接、方法出口等东西。这里别的东西不太好理解，后面咱们再经过其余文章详细阐述，这里先理解一个局部变量就能够。

回到上面的例子，好比一个线程调用了上面写的“sayHello”方法，那么就会为“sayHello”方法建立一个栈帧，压入线程本身的Java虚拟机栈里面去。

在栈帧的局部变量表里就会有“name”这个局部变量，下图展现了这个过程。

 

 

 

接着若是“sayHello”方法调用了另一个“greeting”方法 ，好比下面那样的代码：

 

 

 

这时会给“greeting”方法又建立一个栈帧，压入线程的Java虚拟机栈。

想一想为啥会这样？由于sayHello方法里开始执行greeting方法了，并且greeting方法的栈帧的局部变量表里有一个“greet”变量，它是greeting方法的局部变量。

下图展现了这个过程：

 

 

 

接着若是“greeting”方法执行完毕了，就会把“greeting”方法对应的栈帧从Java虚拟机栈里给出栈，而后若是“sayHello”方法也执行完毕了，就会把“sayHello”方法也从Java虚拟机栈里出栈。

这就是JVM中的Java虚拟机栈这个组件的做用。

这块你们须要记住的是：调用执行任何方法时，都会给方法建立栈帧，而后入栈。

在栈帧里存放了这个方法对应的局部变量之类的数据，包括这个方法执行的其余相关的信息，方法执行完毕以后就出栈。

5. Java堆内存

JVM中有另一个很是关键的区域，就是Java堆，用来存放咱们在代码中建立的各类对象的，好比下面的代码：

public void teach(String name) {

Student student = new Student(name);

student.study();

}

上面的 “new Student(name)” 就建立了一个Student类型的对象实例，这个对象实例里面会包含一些数据。相似Student这样的对象，就会存放在Java堆内存里。

而后方法的栈帧的局部变量表里，这个引用类型的“student”局部变量就会存放Student对象的地址。你能够认为局部变量表里的“student”指向了Java堆里的Student对象。

下图展现了这个过程：

 

6. 方法区 / Metaspace

这个方法区是在JDK 1.8之前的版本里，表明JVM中的一块区域，主要是放相似Student类本身的信息的，平时用到的各类类的信息，都是放在这个区域里的，还会有一些相似常量池的东西放在这个区域里。

可是在JDK 1.8之后，这块区域的名字改了，叫作“Metaspace”，能够认为是“元数据空间”这样的意思，固然主要仍是存放咱们本身写的各类类相关的信息。

7. 本地方法栈

在JDK不少底层API里，好比IO相关的，NIO相关的，网络Socket相关的，若是你们去看他内部的源码，会发现不少地方都不是Java代码。

不少地方都会去走native方法，去调用本地操做系统里面的一些方法，可能调用的都是c语言写的方法，或者一些底层类库，好比下面这样的：

public native int hashCode();

在调用这种native方法的时候，就会有线程对应的本地方法栈，这个里面也是跟Java虚拟机栈相似的，也是存放各类native方法的局部变量表之类的信息。

关于这块，这里就不展开讲了，后续有机会咱们再写文章专门阐述。

8. 堆外内存

还有一个区域，不属于JVM，经过NIO中的allocateDirect这种API，能够在Java堆外分配内存空间，而后经过Java虚拟机里的 DirectByteBuffer 来引用和操做堆外内存空间。

不少技术都会用这种方式，由于有一些场景下，堆外内存分配能够提高性能。

9. 全文总结

最后作一点总结：

• Java代码经过JVM运行时，首先必定会一行一行执行编译好的字节码指令
• 而后在执行的过程当中，对于方法的调用，会经过Java虚拟机栈来为每一个方法建立栈帧，入栈和出栈，并且栈帧里有方法的局部变量。
• 对于对象的建立，会分配到Java堆内存里去
• 对于类信息的存储，会放在方法区 / Metaspace这样的区域里
• 另外有两块特殊的区域：
• 本地方法栈：执行native方法时候用的栈，跟Java虚拟机栈是相似的
• 堆外内存：能够在Java堆外分配内存空间来存储一些对象。

这里分享一份我本身整理的【JVM体系结构与GC调优】PPT，但愿对你们学习JVM有所帮助。

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