JVM的基础知识

整数在Java虚拟机中的表示

在Java虚拟机中,整数有byte、short、int、long四种,分别标识8位、16位、32位、64位有符号整数。整数在Java虚拟机中使用补码标识。

浮点数在Java虚拟机中的表示

在Java虚拟机中,浮点数有float和double两种,分别是32位和64位浮点数。一个浮点数由3个部分组成,分别是:符号位、指数位和尾数位。

Java虚拟机的架构

1)类加载子系统负责从文件系统或者网络中加载Class信息,加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外,方法区中可能还会存放运行时常量池信息,包括字符串字面量和数字常量(这部分常量信息是Class文件中常量池部分的内存映射)。

2)java堆在虚拟机启动的时候建立,它是java程序最主要的内存工作区域。几乎所有的java对象实例都存放在java堆中。堆空间是所有线程共享的,这是一块与java应用密切相关的内存空间。

3)java的NIO库允许java程序使用直接内存。直接内存是在java堆外的、直接向系统申请的内存空间。通常访问直接内存的速度会优于java堆。因此出于性能的考虑,读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。由于直接内存在java堆外,因此它的大小不会直接受限于Xmx指定的最大堆大小,但是系统内存是有限的,java堆和直接内存的总和依然受限于操作系统能给出的最大内存。

4)垃圾回收系统是java虚拟机的重要组成部分,垃圾回收器可以对方法区、java堆和直接内存进行回收。其中,java堆是垃圾收集器的工作重点。和C/C++不同,java中所有的对象空间释放都是隐式的,也就是说,java中没有类似free()或者delete()这样的函数释放指定的内存区域。对于不再使用的垃圾对象,垃圾回收系统会在后台默默工作,默默查找、标识并释放垃圾对象,完成包括java堆、方法区和直接内存中的全自动化管理。

5)每一个java虚拟机线程都有一个私有的java栈,一个线程的java栈在线程创建的时候被创建,java栈中保存着帧信息,java栈中保存着局部变量、方法参数,同时和java方法的调用、返回密切相关。

6)本地方法栈和java栈非常类似,最大的不同在于java栈用于方法的调用,而本地方法栈则用于本地方法的调用,作为对java虚拟机的重要扩展,java虚拟机允许java直接调用本地方法(通常使用C编写)

7)PC(Program Counter)寄存器也是每一个线程私有的空间,java虚拟机会为每一个java线程创建PC寄存器。在任意时刻,一个java线程总是在执行一个方法,这个正在被执行的方法称为当前方法。如果当前方法不是本地方法,PC寄存器就会指向当前正在被执行的指令。如果当前方法是本地方法,那么PC寄存器的值就是undefined

8)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,现代虚拟机为了提高执行效率,会使用即时编译技术将方法编译成机器码后再执行。

Java堆

java堆是和应用程序关系最为密切的内存空间,几乎所有的对象都存放在堆上。并且java堆是完全自动化管理的,通过垃圾回收机制,垃圾对象会被自动清理,而不需要显示的释放。

根据java回收机制的不同,java堆有可能拥有不同的结构。最为常见的一种构成是将整个java堆分为新生代和老年代。其中新生代存放新生对象或者年龄不大的对象,老年代则存放老年对象。新生代有可能分为eden区、s0区、s1区,s0区和s1区也被称为from和to区,他们是两块大小相同、可以互换角色的内存空间。

如下图:显示了一个堆空间的一般结构:

例1 :通过简单的示例,展示java堆、方法区和java栈之间的关系

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package com.jvm;
public class SimpleHeap {
  private int id;
  public SimpleHeap(int id){
    this.id = id;
  }
  public void show(){
    System.out.println("My id is "+id);
  }

  public static void main(String[] args) {
    SimpleHeap s1 = new SimpleHeap(1);
    SimpleHeap s2 = new SimpleHeap(2);
    s1.show();
    s2.show();
  }
}

该代码声明了一个类,并在main函数中创建了两个SimpleHeap实例。此时,各对象和局部变量的存放情况如图:

SimpleHeap实例本身分配在堆中,描述SimpleHeap类的信息存放在方法区,main函数中的s1 s2局部变量存放在java栈上,并指向堆中两个实例。

Java栈

java栈是一块线程私有的内存空间。如果说,java堆和程序数据密切相关,那么java栈就是和线程执行密切相关。线程执行的基本行为是函数调用,每次函数调用的数据都是通过java栈传递的。

java栈与数据结构上的栈有着类似的含义,它是一块先进后出的数据结构,只支持出栈和进栈两种操作,在java栈中保存的主要内容为栈帧。每一次函数调用,都会有一个对应的栈帧被压入java栈,每一个函数调用结束,都会有一个栈帧被弹出java栈。如下图:栈帧和函数调用。函数1对应栈帧1,函数2对应栈帧2,依次类推。函数1中调用函数2,函数2中调用函数3,函数3调用函数4.当函数1被调用时,栈帧1入栈,当函数2调用时,栈帧2入栈,当函数3被调用时,栈帧3入栈,当函数4被调用时,栈帧4入栈。当前正在执行的函数所对应的帧就是当前帧(位于栈顶),它保存着当前函数的局部变量、中间计算结果等数据。

当函数返回时,栈帧从java栈中被弹出,java方法区有两种返回函数的方式,一种是正常的函数返回,使用return指令,另一种是抛出异常。不管使用哪种方式,都会导致栈帧被弹出。

在一个栈帧中,至少包含局部变量表、操作数栈和帧数据区几个部分。

由于每次函数调用都会产生对应的栈帧,从而占用一定的栈空间,因此,如果栈空间不足,那么函数调用自然无法继续进行下去。当请求的栈深度大于最大可用栈深度时,系统会抛出StackOverflowError栈溢出错误。 

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 public class TestStackDeep {
    private static int count =0;
    public static void recursion(){
      count ++;
      recursion();
    }

    public static void main(String[] args) {
      try{
        recursion();
      }catch(Throwable e){
        System.out.println("deep of calling ="+count);
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }

栈帧组成之局部变量表

局部变量表是栈帧的重要组成部分之一。它用于保存函数的参数以及局部变量,局部变量表中的变量只在当前函数调用中有效,当函数调用结束,随着函数栈帧的弹出销毁,局部变量表也会随之销毁。

由于局部变量表在栈帧之中,因此,如果函数的参数和局部变量很多,会使得局部变量表膨胀,从而每一次函数调用就会占用更多的栈空间,最终导致函数的嵌套调用次数减少。