JVM的运行机制

JVM（Java Virtual Machine）是用于运行Java字节码的虚拟计算机，其中包括一套字节码的指令集、程序寄存器、虚拟机栈、虚拟机堆、本地方法区、垃圾回收器。JVM运行在操作系统上层，它不跟底层硬件直接进行交互。如下图所示

Java源代码通过了编译器编译成响应的.Class文件。.Class文件在JVM中被解释为机器码，在不同的操作系统上运行。而它的跨平台特性也是从这里体现出来的。由于在不同平台上虚拟机不同，但是运行在JVM中的.Class文件是统一的解释器规则。也有了跨平台的特性。

在运行一个Java进程之后，虚拟机就开始实例化，有多少个Java的进程就有多少个虚拟机实例被创建。而进程退出或者是关闭了，虚拟机实例也就会消失。在多个虚拟机之间是不能进行数据的共享操作，这也就是分布式锁产生的原因。

Java程序代码运行机制如下

• 1、Java源代码文件被编译器编译成字节码文件
• 2、JVM将字节码文件编译成对应操作系统的机器码
• 3、机器码通过调用相应的操作系统的本地方法库进行执行对应的内容。

JVM包括了一个类加载子系统（Class Loader SubSystem）、运行时数据区（Runtime Data Area）、执行引擎和本地接口库（Native Interface Library）。本地接口库通过调用本地方法库（Native Method Library）与操作系统进行交互。如下图所示

• 1、类加载器子系统将编译好的字节码文件添加到JVM中；
• 2、运行时数据区用于存储在JVM运行过程中所产生的数据内容，包括程序计数器、方法区、本地方法区、虚拟机栈和虚拟机堆。
• 3、执行引擎中包括了编译器和垃圾回收器，及时编译器用于将Java的字节码编译成具体的机器码，垃圾回收器用于回收在运行过程中不再引用的对象
• 4、本地接口库用于调用操作系统的本地方法库完成具体的指令操作。

多线程相关

在一个多核的操作系统上，JVM是允许在一个进程中同时并发执行多个线程。JVM中的线程操作是与操作系统中的线程操作是有对应关系的。在JVM线程的本地存储、缓冲区分配、同步对象、栈、程序计数器等的准备工作都完成之后，JVM会调用操作系统的接口创建一个与之对应的操作系统的线程。

JVM中的线程运行结束的时候，操作系统线程也会被回收。操作系统负责的是所有线程的调度，并且操作系统为每个线程分配CPU时间片，在操作系统初始化完成之后，就会调用Java线程操作中的run()方法执行该操作，在线程结束之后，会释放所有的对应的资源。

JVM后台运行的线程主要有如下的一些

• 1、虚拟机程序（JVMThread）：虚拟机线程在JVM到达安全点（SafePoint）时出现
• 2、周期性任务线程：通过定时器调度线程来实现周期性的执行操作
• 3、GC线程：GC线程支持JVM中不同的垃圾回收操作
• 4、编译器线程：编译器线程在运行字节码的时候编译成本地机器码。是JVM跨平台的具体实现。
• 5、信号分发线程：接收发送到JVM的信号并调用JVM方法。

JVM的内存区域

JVM的内存区域分为如下几个

• 线程私有的区域：程序计数器、虚拟机栈、本地方法区
• 线程共享区域：堆、方法区
• 直接内存

线程稀有区域的生命周期与线程的生命周期是相同的。随着线程的启动而创建，随着线程的结束而销毁。

在JVM内，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射。所以这部分内存区域的存在与否与本地线程的启动和销毁是对应的。

线程共享区域随着虚拟机的启动而创建，随虚拟机的关闭而销毁。

直接内存也叫作堆外的内存，不作为JVM运行时数据域的一部分，但是在Java并发操作中会被频繁使用。JDK的NIO模块提供的基于Channel与Buffer的I/O操作方式就是基于堆外的内存实现的。NIO模块通过调用Native函数库直接在操作系统上分配内存空间，然后通过DirectByteBuffer对象作为内存引用来对堆外的内存进行操作。

Java进程可以通过堆外内存技术避免了再Java堆和Native堆中来回复制数据带来的资源消耗问题。所以堆内存在高并发场景中被广泛地使用，实现了零拷贝操作。

程序计数器

在JVM中程序计数器作为一块很小的内存空间，主要的作用是存储当前线程运行中所执行的字节码行号的指示器。每个运行中的线程都有一个独立的程序计数器，在方法正在执行的时候，这个方法的程序计数器记录的是实时虚拟机字节码的指令地址；当然如果这个方法是一个Native方法的时候，程序计数器的值是Undefined。

程序计数器属于线程私有的内存区域，是唯一一个没有内存溢出的区域。

虚拟机栈

虚拟机栈是描述Java方法的执行过程的内存模型，它在当前栈帧（Stack Frame）中存储了局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。

栈帧用来存储部分运行时数据及其数据结构，处理动态连接（Dynamic Linking）方法的返回值和异常分派（Dispatch Exception）。

栈帧用来记录方法的执行过程，方法在被执行的时候虚拟机会为其创建一个与之对应的栈帧，方法的执行和返回对应栈帧的虚拟机栈中中的入栈和出栈操作。

无论方法是正常运行完成还是异常完成，都可以看做方法运行结束。如图所示，展示了线程运行及栈帧变化的过程。

本地方法区

本地方法区和虚拟机栈的作用类似，区别是虚拟机栈为执行Java方法服务，本地放啊栈为Native方法服务。

堆

在JVM运行过程中创建的对象和产生的数据都被存储在堆内存中，堆内存是一个被线程共享的内存区域，也是垃圾收集器进行垃圾回收的主要的内存区域。由于JVM采用分代收集算法，所以Java堆从GC的角度还可以被细分为新生代、老年代和永久代。

方法区

方法区被称为永久代，用于存储常量、静态变量、类信息、即时编译器编译之后的机器码、运行时常量池等数据。如图所示

JVM把GC的分代收集扩展到了方法区，使用Java堆的永久代来实现方法区，这些JVM就可以用管理堆内存的方法来管理方法区内存。

Java中常量被放到运行时的常量池中，这块内存是方法区的一部分。静态变量的存储也是属于方法区的一部分，在Class文件中不但保存了类的版本、字段、方法、接口等描述信息，同时还保存了常量信息。

在即时编译之后，代码的内容将在类加载完成之后被保存到方法区的运行时常量池中。JVM对Class每部分的格式都有严格的规定，只有满足了规范才能通过JVM的检查然后被装载、执行。