再探JVM記憶體模型

• 2020 年 7 月 2 日
• 筆記
• JVM

　　以前學JVM的時候看過《深入理解JVM》，當時看的很模糊也記了些筆記，更像是為了應付面試。事實是確實把筆記都背上了，春招找實習的時候，記憶體管理、類載入、垃圾回收三連背一遍。後來自己做項目的時候，涉及到JVM的部分還是不怎麼理解，最近重讀了上面的書並且看了一些技術大佬的專欄，用部落格記錄下自己學習過程與思考。

本篇文章關注兩個問題：

1. Java位元組碼是什麼？Java源程式碼怎麼變成Java位元組碼的？

2. Java位元組碼進入JVM後是怎麼存儲的？

　　為了解釋上面問題，假設現在我們有一個Main類，調用compute方法執行計算操作，程式碼如下：

public class Math {
    public static final Integer CONSTANT = 10;

    public int compute() {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = (a + b) * 10;
        return c;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Math math1 = new Math();
        Math math2 = new Math();
        math1.compute();
        math2.compute();
    }
}

對於第一個問題: Class文件是一組以8位位元組位基礎的單位的二進位流，下圖就是顯示了如何生成位元組碼文件。

使用Sublime Text查看Math.class，圖片只截取了部分，編輯器是使用16進位顯示的。為了方便查看，我們使用 javap -c 指令對程式碼進行反彙編，就可以得得到可讀性更強的文件。

　　那麼Class文件被載入後在JVM中是如何存儲的呢？我們以 HotSpot VM為例，這是目前使用最廣泛的Java虛擬機。虛擬機主要由類裝載子系統、運行時數據區和執行引擎三部分組成。JVM記憶體模型將運行時數據區分為五個部分，下面圖中其中紫色部分是執行緒私有的，黃色是執行緒公有的。整個程式碼的執行流程在JVM記憶體中是這樣的：

　　我們對著位元組碼文件來闡述。虛擬機棧又叫做執行緒棧，生命周期與執行緒相同。棧主要由局部變數表、操作數棧、動態鏈接、方法出口組成。當main方法運行時JVM會在棧記憶體區域給主執行緒分配一塊記憶體，main方法和compute方法執行時，會創建單獨的棧幀用於存儲方法的一些資訊。

• 局部變數表：存放的是方法在執行時各種基本類型和引用類型變數，以及returnAddress類型(指向了一條位元組碼指令的地址)；
• 方法出口：保存的是方法執行完後回到主執行緒的哪個位置。對於main棧幀，局部變數表裡的math變數存放的是堆記憶體中math變數的地址。
• 操作數棧：臨時存放方法執行時的變數
• 動態鏈接：Class 文件中存放了大量的符號引用，這些符號引用指向的是方法。程式運行期間調用方法時，根據運行時常量池的參數，靜態符號引用變成直接引用；對象頭裡的指針會動態的找到方法區中存儲的調用方法的資訊。

程式計數器：記錄的是位元組碼指令正在執行或者即將執行的行號，比如這行 」0: iconst_1「執行完了，程式計數器值就是1，表示即將執行下一行指令。

本地方法棧：作用和虛擬機棧類似，為native修飾的方法服務。

方法區：JDK1.8及以後稱為元空間，存儲被虛擬機載入的類資訊、常量、靜態變數等。1.8以後方法區使用的是本機的記憶體。例如 這一行指令 」public static final java.lang.Integer CONSTANT;「就是靜態常量 CONSTANT的資訊。

堆：堆是JVM記憶體模型中最大的一塊，虛擬機啟動時就會創建，存儲的是大部分對象。

參考資料：《深入理解Java虛擬機》第二版 周志朋

　　　　　《深入拆解Java虛擬機》鄭雨迪

　　　　　《JVM虛擬機底層原理分析與性能調優》程式設計師諸葛