Java虛擬機底層原理詳細分析

更新時間：2024年01月11日 09:00:11 作者：智由靜生

這篇文章主要介紹了Java虛擬機底層原理詳細分析,運行時數(shù)據(jù)區(qū)就是俗稱的虛擬機內存,主要包括我們熟悉的堆、棧、本地方法棧、方法區(qū)(元空間)、程序計數(shù)器,虛擬機調優(yōu)主要針對的是運行時數(shù)據(jù)區(qū),也就是虛擬機內存,需要的朋友可以參考下

Java虛擬機底層原理

Java虛擬機主要由以下三部分組成。

類裝載子系統(tǒng)：java代碼編譯成class文件后，首先由類裝載子系統(tǒng)加載到虛擬機內存中。
運行時數(shù)據(jù)區(qū)：就是俗稱的虛擬機內存，主要包括我們熟悉的堆、棧、本地方法棧、方法區(qū)（元空間）、程序計數(shù)器
字節(jié)碼執(zhí)行引擎：最終java代碼的真正執(zhí)行是由字節(jié)碼執(zhí)行引擎來執(zhí)行的。

虛擬機調優(yōu)主要針對的是運行時數(shù)據(jù)區(qū)，也就是虛擬機內存。

一、堆

虛擬機調優(yōu)主要針對的就是堆。當堆滿了的時候，字節(jié)碼執(zhí)行引擎就會單獨開啟一個垃圾回收線程執(zhí)行gc。

二、棧

當線程開始執(zhí)行，java虛擬機立刻在棧中為該線程分配一塊內存空間，這塊內存是這個線程專屬的，主要放線程自己的局部變量，每個線程都有自己的內存區(qū)域。

棧由一系列幀組成，一個方法對應一塊棧幀內存區(qū)域。幀保存一個方法的局部變量、操作數(shù)棧、常量池指針。每一次方法調用創(chuàng)建一個幀，并壓棧。

虛擬機內存中的棧的數(shù)據(jù)結構特性類似數(shù)據(jù)結構中的棧，滿足先進后出(FILO)特性。當一個方法運行完，它對應的棧幀就被銷毀。

雖然我們常說棧幀是用來放局部變量的，但實際上要復雜的多。棧幀內部主要包括：局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口四部分。下面以一段簡單的代碼為例，介紹一下這幾部分的作用。

public int compute() {
    int a = 1;
    int b = 1;
    int c = (a + b) * 10;
    return c;
}

java代碼編譯成的class文件打開是十六進制字符無法讀，需要使用javap -c進行反編譯。以上代碼反編譯的結果如下：

可以通過JVM指令手冊查看每條命令的具體含義。

第0行iconst_1：將int類型常量1壓入操作數(shù)棧。第1行istore_1：將int類型存入局部變量1。這一步就是先在局部變量表分配一塊內存給變量a，從操作數(shù)棧中的常量1取出賦給變量a并存入局部變量表。這兩行完成了源碼中的第一行 int a = 1; 。同理，第2行和第3行完成了源碼中的第二行Int b = 1; 。

第4行iload_1：從局部變量1裝載int類型值。這里局部變量1就是a，這一步是把a中的值加載到操作數(shù)棧。第5行iload_2也是同樣道理，從局部變量2也就是b裝載int類型值到操作數(shù)棧。第6行iadd：就是進行加法運算，java虛擬機進行加減乘除運算時，會從操作數(shù)棧的棧頂彈出兩個元素進行運算。這里也就是iload_1和iload_2裝載的值。并且將運算完成的結果壓回操作數(shù)棧。第7行bipush 10：將一個8位帶符號整數(shù)壓入操作數(shù)棧。這里就是后面的那個10。由于10也要占一個位置，所以這一條指令占了兩個位置，也就沒有了第8行。第9行imul：就是進行乘法運算，與第6行iadd類似。第10行istore_3：將前面運算表達式的結果從操作數(shù)棧中取出賦給變量c并存入局部變量表。從第4行到第10行完成了源碼中Int c = (a + b) * 10;這一行的操作。

第11行iload_1：從局部變量3裝載int類型值。頁就是把局部變量c中的值取出加載到操作數(shù)棧。第12行ireturn：就很明顯了，就是返回結果。

通過上面簡單程序的例子，應該可以理解局部變量表和操作數(shù)棧的工作方式了吧。操作數(shù)棧簡單的說就是程序在運行過程中，存放操作數(shù)的臨時內存。局部變量如果是對象類型，那么對象值實際是存在堆里的，而棧的局部變量表實際上只是保存該對象在堆內存中的地址。

棧幀中除了局部變量表和操作數(shù)棧還有動態(tài)連接和方法出口。

每個棧幀都包含一個指向運行時常量池中該棧幀所屬方法的引用，持有這個引用是為了方法調用過程中的動態(tài)連接。Class文件中的常量池中存有大量的符號引用，字節(jié)碼中的方法調用指令就是以常量池里指向方法的符號引用作為參數(shù)的，這些符號的一部分會在類加載階段或者第一次使用的時候被轉化為直接引用，這種轉化被稱為靜態(tài)解析。另一部分在每一次運行期間轉化為直接引用，被稱為動態(tài)連接。因為方法的執(zhí)行對應著棧幀的入棧出棧，所以將所屬方法的引用存放在棧幀中。

方法出口記錄了上級調用方法的信息，比如compute()方法是main()方法調用的。當compute()方法執(zhí)行完成返回時，需要返回到上級調用方法main()繼續(xù)運行，此時需要知道一些調用方法main()的信息，比如返回到main()的哪個位置。方法出口就記錄了相關信息。