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JVM

本章内容：

、 虚拟机概述和基本概念

、堆、栈、方法区

、了解虚拟机参数

、垃圾回收概念和算法、及对象的分代转换

、垃圾收集器

、 性能影响实验

、性能监控工具

1 Java 虚拟机介绍

1.1 java 虚拟机原理

所谓虚拟机，就是一台虚拟的机器。它是一款软件，用来执行一系列虚拟计算指令，大体上虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机，大

名鼎鼎的 、 就属于系统虚拟机，它们完全是对物理计算机的仿真，提供类一个可运行完整操作系统的软件平台。程序虚

拟机典型代表就是  虚拟机，它专门为执行单个计算机程序而设计，在  虚拟机中执行的指令是  字节码指令。无论是系统虚拟机

还是程序虚拟机。在上面运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。  发展至今，出现过很多虚拟机，现在引用最广泛的是  虚

拟机，处理  以外，还有 !" 的 #，目前 # 和  都被 $ 收入旗下，大有整合的趋势。

1.2 java 虚拟机结构

）类加载子系统：负责从文件系统或者网络中加载 % 信息，加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。

）方法区：存放类信息、常量信息、常量池信息，包括字符串字面量和数字常量等。

）  堆：虚拟机启动的时候建立，它是  程序最主要的内存工作区域。几乎所有的  对象实例都存放在  堆中。堆空间是所

有线程共享的。

）直接内存： 的 &'$ 库允许  程序使用直接内存。直接内存是在  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  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  堆外，因此它的大小不会直接受限于 ( 指定的最大堆大小，但是系统内存是有限的， 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。

）  栈：每一个  虚拟机线程都有一个私有的  栈，一个线程的  栈在线程创建的时候被创建， 栈中保存着帧信息，

 栈中保存着局部变量、方法参数，同时和  方法的调用、返回值密切相关。

）本地方法栈：本地方法栈和  栈非常类似，最大的不同在于  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

 虚拟机的重要扩展， 虚拟机允许  直接调用本地方法（通常使用 % 编写）

）垃圾回收系统： 虚拟机的重要组成部分，垃圾回收器可以对方法区、 堆和直接内存进行回收。其中， 堆是垃圾收集器的

工作重点。 虚拟机有自己一套垃圾回收机制，无需程序员手动清理，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  堆、方法区和直接内存中的全自动化管理。

)） *%（*+% ）寄存器：也是每一个线程私有的空间， 虚拟机会为每一个  线程创建 *% 寄存器。在任意时刻，一个

 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， *% 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 *% 寄存器的值就是  ,- ,，寄存器存放如当前执行环境指针、程序计数器、操作栈指

针、计算的变量方法等信息。

.）执行引擎： 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。

2 堆、栈、方法区

2.1 三者概念与联系

堆解决的时数据存放的问题，即数据怎么放，放在那儿。

栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。

方法区则是辅助栈的快永久区（*），解决堆栈信息的产生、是先决条件。

创建一个新的对象 /，那么 / 类的一些信息（类信息、静态信息都存放在方法区中）

而 / 类实例化出来之后，被存储到  堆中，一块内存空间

使用的时候，都是使用 / 对象的引用，如 /0 1/23；

这里  就是存放在  栈中的，即 / 真实对象的一个引用。

2.2 Java 堆初步认识

 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  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  回收机制的不同， 堆有可能拥有不同的结构。最为常见的一种构成是将整个  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 , 区、4 区、 区，4 区和  区也被称为 5 和  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：

在绝大多数情况下，对象首先分配在 , 区，在一次新生代回收之后，如果对象还存活，则进入 4 或者 ，每经过一次新生代回收，

对象如果存活，它的年龄就会加 。当对象的年龄达到一定条件后，就会被认为是老年对象，从而进入老年代。其具体的垃圾回收算法在后面

会介绍。

2.3 Java 栈初步认识

 栈是一块线程私有的内存空间。如果说， 堆和程序数据密切相关，那么  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  栈传递的。

 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  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  栈，每一个函数调用结束，都会有一个栈帧被弹出  栈。

如下图：栈帧和函数调用。函数  对应栈帧 ，函数  对应栈帧 ，依次类推。函数  中调用函数 ，函数  中调用函数 ，函数  调用函数 。当函

数  被调用时，栈帧  入栈，当函数  调用时，栈帧  入栈，当函数  被调用时，栈帧  入栈，当函数  被调用时，栈帧  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  栈中被弹出， 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  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。



提示：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 #$61! 栈溢出错误。

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。

局部变量表：用于报错函数的参数及局部变量。

操作数栈：主要保存计算过程中的中间结果，同时作为计算过程中变量临时存储空间。

帧数据区：除了局部变量表和操作数栈以外，栈还需要一些数据来支持常量池的解析，这里帧数据区保存着访问常量池的指针，方便程序

访问常量池，另外，当函数返回或者出现异常时，虚拟机必须有一个异常处理表，方便发送异常的时候找到异常的代码，因此异常处理表也是

帧数据区的一部分。

详细参考：7899111: ;+:9<1;+99.4:7

2.4 Java 方法区认识

 方法区和堆一样，方法区是一块所有线程共享的内存区域，它保存系统的类信息，比如类的字段、方法、常量池等。方法区的大小决

定类系统可以保存多少个类，如果系统定义太多的类，导致方法区溢出。虚拟机同样会抛出内存溢出的错误。方法区可以理解为永久区

（*）。

方法区理解：

 它保存在着被加载过的每一个类的信息；这些信息由类加载器在加载类的时候，从类的源文件中抽取出来； static 变量信息也保存

在方法区中；

可以看做是将类（Class）的元数据，保存在方法区里；

 方法区是线程共享的；当有多个线程都用到一个类的时候，而这个类还未被加载，则应该只有一个线程去加载类，让其他线程等待；

 方法区的大小不必是固定的，jvm 可以根据应用的需要动态调整。jvm 也可以允许用户和程序指定方法区的初始大小，最小和最大

限制；

 方法区同样存在垃圾收集，因为通过用户定义的类加载器可以动态扩展 Java 程序，这样可能会导致一些类，不再被使用，变为垃

圾。这时候需要进行垃圾清理。

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