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JVM虚拟机的内部结构

五大三粗
 五大三粗
发布于 2015/05/20 10:14
字数 4967
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Java虚拟机的内部体系结构也许很少有人去关心,因为对于Java程序员来说,一般只需要跟API打交道就可以了。这些体系结构只是Java虚拟机内部的结构而已。但是如果理解了其内部结构,对于我们开发项目,以及排除系统中的相关故障是由帮助的。

先看看总体结构图,如下:

 

各部分的主要功能分别是:
1. 类装载子系统:负责Java类型的装载连接以及初始化。Java虚拟机有两种类装载器,启动类装载器和用户自定义类装载器。启动类装载器是JAVA虚拟机实现的一部分,自定义装载器是JAVA程序的一部分。由不同类装载器装载的类将被放在不同的命名空间中。
2. 方法区:方法区主要存储2类信息,一是被装载的类型信息,从class文件流中提取。二是类型中的类(静态)变量。方法区中的信息是所有线程共享的,所以对方法区的数据访问必须设计成为线程安全的。
3. Java堆:存放java运行时创建的所有类实例或数组。一个java虚拟机实例中只存在一个堆空间,所有线程共享,因此设计程序时也要考虑到多线程访问堆数据的同步问题。
4. Java栈:每当启动一个新线程,JAVA虚拟机都会创建一个新的JAVA栈,用于保存线程的运行状态。JAVA栈中的数据都是私有的,线程之间不能相互访问各自的栈。当一个线程调用一个方法时,方法的局部变量保存在该线程的栈中。所以方法内创建的局部变量都不存在线程安全问题。
5. PC寄存器:有叫程序计数器。每个线程都有自己的程序计数器,在线程启动的时候自动创建。PC寄存器里总是保存下一条将被执行的指令的“地址”。
6. 本地方法栈:保存调用本地方法相关的数据。这里基本是一个全新的不受虚拟机限制的区域。

本文将由浅入深详细介绍Java内存分配的原理,以帮助新手更轻松的学习Java。这类文章网上有很多,但大多比较零碎。本文从认知过程角度出发,将带给读者一个系统的介绍。

进入正题前首先要知道的是Java程序运行在JVM(Java Virtual Machine,Java虚拟机)上,可以把JVM理解成Java程序和操作系统之间的桥梁,JVM实现了Java的平台无关性,由此可见JVM的重要性。所以在学习Java内存分配原理的时候一定要牢记这一切都是在JVM中进行的,JVM是内存分配原理的基础与前提。

简单通俗的讲,一个完整的Java程序运行过程会涉及以下内存区域:

寄存器:JVM内部虚拟寄存器,存取速度非常快,程序不可控制。

栈:保存局部变量的值,包括:1.用来保存基本数据类型的值;2.保存类的实例,即堆区对象的引用(指针)。也可以用来保存加载方法时的帧。

堆:用来存放动态产生的数据,比如new出来的对象。注意创建出来的对象只包含属于各自的成员变量,并不包括成员方法。因为同一个类的对象拥有各自的成员变量,存储在各自的堆中,但是他们共享该类的方法,并不是每创建一个对象就把成员方法复制一次。

常量池:JVM为每个已加载的类型维护一个常量池,常量池就是这个类型用到的常量的一个有序集合。包括直接常量(基本类型,String)和对其他类型、方法、字段的符号引用(1)。池中的数据和数组一样通过索引访问。由于常量池包含了一个类型所有的对其他类型、方法、字段的符号引用,所以常量池在Java的动态链接中起了核心作用。常量池存在于堆中

代码段:用来存放从硬盘上读取的源程序代码。

数据段:用来存放static定义的静态成员。

 

下面是内存表示图:

 

上图中大致描述了Java内存分配,接下来通过实例详细讲解Java程序是如何在内存中运行的(注:以下图片引用自尚学堂马士兵老师的J2SE课件,图右侧是程序代码,左侧是内存分配示意图,我会一一加上注释)。

预备知识:

1.一个Java文件,只要有main入口方法,我们就认为这是一个Java程序,可以单独编译运行。

2.无论是普通类型的变量还是引用类型的变量(俗称实例),都可以作为局部变量,他们都可以出现在栈中。只不过普通类型的变量在栈中直接保存它所对应的值,而引用类型的变量保存的是一个指向堆区的指针,通过这个指针,就可以找到这个实例在堆区对应的对象。因此,普通类型变量只在栈区占用一块内存,而引用类型变量要在栈区和堆区各占一块内存。

示例:

 

1.JVM自动寻找main方法,执行第一句代码,创建一个Test类的实例,在栈中分配一块内存,存放一个指向堆区对象的指针110925。

2.创建一个int型的变量date,由于是基本类型,直接在栈中存放date对应的值9。

3.创建两个BirthDate类的实例d1、d2,在栈中分别存放了对应的指针指向各自的对象。他们在实例化时调用了有参数的构造方法,因此对象中有自定义初始值。

 

调用test对象的change1方法,并且以date为参数。JVM读到这段代码时,检测到i是局部变量,因此会把i放在栈中,并且把date的值赋给i。

把1234赋给i。很简单的一步。

change1方法执行完毕,立即释放局部变量i所占用的栈空间。

调用test对象的change2方法,以实例d1为参数。JVM检测到change2方法中的b参数为局部变量,立即加入到栈中,由于是引用类型的变量,所以b中保存的是d1中的指针,此时b和d1指向同一个堆中的对象。在b和d1之间传递是指针。

change2方法中又实例化了一个BirthDate对象,并且赋给b。在内部执行过程是:在堆区new了一个对象,并且把该对象的指针保存在栈中的b对应空间,此时实例b不再指向实例d1所指向的对象,但是实例d1所指向的对象并无变化,这样无法对d1造成任何影响。

change2方法执行完毕,立即释放局部引用变量b所占的栈空间,注意只是释放了栈空间,堆空间要等待自动回收。

 

调用test实例的change3方法,以实例d2为参数。同理,JVM会在栈中为局部引用变量b分配空间,并且把d2中的指针存放在b中,此时d2和b指向同一个对象。再调用实例b的setDay方法,其实就是调用d2指向的对象的setDay方法。

调用实例b的setDay方法会影响d2,因为二者指向的是同一个对象。

 

change3方法执行完毕,立即释放局部引用变量b。

以上就是Java程序运行时内存分配的大致情况。其实也没什么,掌握了思想就很简单了。无非就是两种类型的变量:基本类型和引用类型。二者作为局部变量,都放在栈中,基本类型直接在栈中保存值,引用类型只保存一个指向堆区的指针,真正的对象在堆里。作为参数时基本类型就直接传值,引用类型传指针。

小结:

1.分清什么是实例什么是对象。Class a= new Class();此时a叫实例,而不能说a是对象。实例在栈中,对象在堆中,操作实例实际上是通过实例的指针间接操作对象。多个实例可以指向同一个对象。

2.栈中的数据和堆中的数据销毁并不是同步的。方法一旦结束,栈中的局部变量立即销毁,但是堆中对象不一定销毁。因为可能有其他变量也指向了这个对象,直到栈中没有变量指向堆中的对象时,它才销毁,而且还不是马上销毁,要等垃圾回收扫描时才可以被销毁。

3.以上的栈、堆、代码段、数据段等等都是相对于应用程序而言的。每一个应用程序都对应唯一的一个JVM实例,每一个JVM实例都有自己的内存区域,互不影响。并且这些内存区域是所有线程共享的。这里提到的栈和堆都是整体上的概念,这些堆栈还可以细分。

4.类的成员变量在不同对象中各不相同,都有自己的存储空间(成员变量在堆中的对象中)。而类的方法却是该类的所有对象共享的,只有一套,对象使用方法的时候方法才被压入栈,方法不使用则不占用内存

 

以上分析只涉及了栈和堆,还有一个非常重要的内存区域:常量池,这个地方往往出现一些莫名其妙的问题。常量池是干嘛的上边已经说明了,也没必要理解多么深刻,只要记住它维护了一个已加载类的常量就可以了。接下来结合一些例子说明常量池的特性。

 

预备知识:

基本类型和基本类型的包装类。基本类型有:byteshortcharintlongboolean。基本类型的包装类分别是:ByteShortCharacterIntegerLongBoolean。注意区分大小写。二者的区别是:基本类型体现在程序中是普通变量,基本类型的包装类是类,体现在程序中是引用变量。因此二者在内存中的存储位置不同:基本类型存储在栈中,而基本类型包装类存储在堆中。上边提到的这些包装类都实现了常量池技术,另外两种浮点数类型的包装类则没有实现。另外,String类型也实现了常量池技术。

 实例:

  1. 复制代码
    public class test { public static void main(String[] args) {      
            objPoolTest();  
        } public static void objPoolTest() { int i = 40; int i0 = 40;  
            Integer i1 = 40;  
            Integer i2 = 40;  
            Integer i3 = 0;  
            Integer i4 = new Integer(40);  //重新创建对象
            Integer i5 = new Integer(40);  
            Integer i6 = new Integer(0);  
            Double d1=1.0;  
            Double d2=1.0;  
              
            System.out.println("i=i0\t" + (i == i0));  
            System.out.println("i1=i2\t" + (i1 == i2));  
            System.out.println("i1=i2+i3\t" + (i1 == i2 + i3));  
            System.out.println("i4=i5\t" + (i4 == i5));  
            System.out.println("i4=i5+i6\t" + (i4 == i5 + i6));      
            System.out.println("d1=d2\t" + (d1==d2));   
              
            System.out.println();          
        }  
    } 
    复制代码
  1. i=i0               true  
  2. i1=i2             true  
  3. i1=i2+i3        true  
  4. i4=i5             false  
  5. i4=i5+i6        true  
  6. d1=d2           false  

结果分析

1.ii0均是普通类型(int)的变量,所以数据直接存储在栈中,而栈有一个很重要的特性:栈中的数据可以共享。当我们定义了int i = 40;,再定义int i0 = 40;这时候会自动检查栈中是否有40这个数据,如果有,i0会直接指向i40,不会再添加一个新的40

2.i1i2均是引用类型,在栈中存储指针,因为Integer是包装类。由于Integer包装类实现了常量池技术,因此i1i240均是从常量池中获取的,均指向同一个地址,因此i1=12

3.很明显这是一个加法运算,Java的数学运算都是在栈中进行的Java会自动对i1i2进行拆箱操作转化成整型,因此i1在数值上等于i2+i3

4.i4i5均是引用类型,在栈中存储指针,因为Integer是包装类。但是由于他们各自都是new出来的,因此不再从常量池寻找数据,而是从堆中各自new一个对象,然后各自保存指向对象的指针,所以i4i5不相等,因为他们所存指针不同,所指向对象不同。

5.这也是一个加法运算,和3同理。

6.d1d2均是引用类型,在栈中存储指针,因为Double是包装类。但Double包装类没有实现常量池技术,因此Doubled1=1.0;相当于Double d1=new Double(1.0);,是从堆new一个对象,d2同理。因此d1d2存放的指针不同,指向的对象不同,所以不相等。

 

小结:

 

1.以上提到的几种基本类型包装类均实现了常量池技术,但他们维护的常量仅仅是【-128127】这个范围内的常量,如果常量值超过这个范围,就会从堆中创建对象,不再从常量池中取。比如,把上边例子改成Integer i1 = 400; Integer i2 = 400;,很明显超过了127,无法从常量池获取常量,就要从堆中new新的Integer对象,这时i1i2就不相等了。

2.String类型也实现了常量池技术,但是稍微有点不同。String型是先检测常量池中有没有对应字符串,如果有,则取出来;如果没有,则把当前的添加进去。

 

凡是涉及内存原理,一般都是博大精深的领域,切勿听信一家之言,多读些文章。我在这只是浅析,里边还有很多猫腻,就留给读者探索思考了。希望本文能对大家有所帮助!

 

脚注:

 

(1) 符号引用,顾名思义,就是一个符号,符号引用被使用的时候,才会解析这个符号。如果熟悉linuxunix系统的,可以把这个符号引用看作一个文件的软链接,当使用这个软连接的时候,才会真正解析它,展开它找到实际的文件

对于符号引用,在类加载层面上讨论比较多,源码级别只是一个形式上的讨论。

当一个类被加载时,该类所用到的别的类的符号引用都会保存在常量池,实际代码执行的时候,首次遇到某个别的类时,JVM会对常量池的该类的符号引用展开,转为直接引用,这样下次再遇到同样的类型时,JVM就不再解析,而直接使用这个已经被解析过的直接引用。

除了上述的类加载过程的符号引用说法,对于源码级别来说,就是依照引用的解析过程来区别代码中某些数据属于符号引用还是直接引用,如,System.out.println("test" +"abc");//这里发生的效果相当于直接引用,而假设某个Strings = "abc"; System.out.println("test" + s);//这里的发生的效果相当于符号引用,即把s展开解析,也就相当于s"abc"的一个符号链接,也就是说在编译的时候,class文件并没有直接展看s,而把这个s看作一个符号,在实际的代码执行时,才会展开这个。

JVM常量池

jvm规范中,每个类型都有自己的常量池。常量池是某类型所用常量的一个有序集合,包括直接常量(基本类型,String)和对其他类型、字段、方法的符号引用。之所以是符号引用而不是像c语言那样,编译时直接指定其他类型,是因为java是动态绑定的,只有在运行时根据某些规则才能确定具体依赖的类型实例,这正是java实现多态的基础。

 

为了对常量池有更具体的认识,下面引用几个例子:

1,常量池中对象和堆中的对象

复制代码
public class Test2 { public static void main(String[] args) {
        Integer i1 = new Integer(1);
        Integer i2 = new Integer(1); // i1,i2分别位于堆中不同的内存空间 System.out.println(i1 == i2);// 输出false  Integer i3 = 1;
        Integer i4 = 1; //i3,i4指向常量池中同一个内存空间  System.out.println(i3 == i4);// 输出true //很显然,i1,i3位于不同的内存空间 System.out.println(i1 == i3);// 输出false  }
}
复制代码

2,8种基本类型的包装类和对象池

java中基本类型的包装类的大部分都实现了常量池技术,这些类是Byte,Short,Integer,Long,Character,Boolean,另外两种浮点数类型的包装类则没有实现。另外Byte,Short,Integer,Long,Character这5种整型的包装类也只是在对应值小于等于127时才可使用对象池,也即对象不负责创建和管理大于127的这些类的对象。以下是一些对应的测试代码:

复制代码
public class Test2 { public static void main(String[] args) { // 5种整形的包装类Byte,Short,Integer,Long,Character的对象, // 在值小于127时可以使用常量池 Integer i1 = 127;
        Integer i2 = 127;

        System.out.println(i1 == i2);// 输出true // 值大于127时,不会从常量池中取对象 Integer i3 = 128;
        Integer i4 = 128;
        System.out.println(i3 == i4);// 输出false // Boolean类也实现了常量池技术 Boolean bool1 = true;
        Boolean bool2 = true;

        System.out.println(bool1 == bool2);// 输出true // 浮点类型的包装类没有实现常量池技术 Double d1 = 1.0;
        Double d2 = 1.0;
        System.out.println(d1 == d2);// 输出false  }
}
复制代码

3、,String也实现了常量池技术

String类也是java中用得多的类,同样为了创建String对象的方便,也实现了常量池的技术,测试代码如下:

复制代码
public class Test2 { public static void main(String[] args) { // s1,s2分别位于堆中不同空间 String s1 = new String("hello");
        String s2 = new String("hello");

        System.out.println(s1 == s2);// 输出false // s3,s4位于池中同一空间 String s3 = "hello";
        String s4 = "hello";
        System.out.println(s3 == s4);// 输出true  }
}
复制代码

4.字符串比较更丰富的一个例子

复制代码
public class Test { public static void main(String[] args){
         String hello = "Hello", lo = "lo";
          System.out.print((hello == "Hello") + " ");
          System.out.print((Other.hello == hello) + " ");
          System.out.print((other.Other.hello == hello) + " ");
          System.out.print((hello == ("Hel"+"lo")) + " ");
          System.out.print((hello == ("Hel"+lo)) + " ");
          System.out.println(hello == ("Hel"+lo).intern());
    }
    
    
} class Other { static String hello = "Hello"; }
复制代码

and the compilation unit:

package other; public class Other { public static String hello = "Hello";
}

produces the output:

true true true true false true

输出结果的分别解释如下:

在同包同类下,引用自同一String对象.

在同包不同类下,引用自同一String对象.

在不同包不同类下,依然引用自同一String对象

在编译成.class时能够识别为同一字符串的,自动优化成常量,所以也引用自同一String对象

在运行时创建的字符串具有独立的内存地址,所以不引用自同一String对象

String的intern()方法会查找在常量池中是否存在一份equal相等的字符串,如果有则返回一个引用,没有则添加自己的字符串进进入常量池,

注意,只是字符串部分,

所以这时会存在2份拷贝,常量池的部分被String类私有持有并管理,自己的那份按对象生命周期继续使用.


© 著作权归作者所有

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