阿里P8级架构师花四小时让你搞懂JVM底层原理（附JVMpdf）

JVM 一直都是面试的必考点，大家都知道，但是要把它搞清楚又好像不是特别容易。JVM 的知识点太散，不系统，所以不便于归纳总结，今天就来帮大家解决这个问题，用一篇文章把 JVM 的结构讲清楚。

JVM 可分为 5 个部分，分别是：

1、类加载器（Class Loader）

2、运行时数据区（Runtime Data Area）

3、执行引擎（Execution Engine）

4、本地库接口（Native Interface）

5、本地方法库（Native Libraies）

这其中最复杂的是运行时数据区，又可分为方法区、虚拟机栈、本地方法栈、堆、程序计数器，并且方法区和堆是线程共享的，虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器是线程隔离的，JVM 的结构如下图所示。

搞清楚了 JVM 虚拟机的结构，接下来我们详细讲解它的每一部分。
类加载器：加载字节码文件到内存。
执行引擎：对 JVM 指令进行解析，翻译成机器码，解析完成后提交到操作系统中。
本地库接口：供 Java 调用的融合了不同开发语言的原生库。
本地方法库：Java 本地方法的具体实现。
行时数据区：JVM 核心内存空间结构模型。

运行时数据区是 JVM 内存结构最重要的部分，接下来我们详细讲解运行时数据区的各个组成部分。

1、方法区

方法区存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量，即时编译器编译后的代码等数据。方法区是一种规范，永久代是方法区的一种实现，这里有个常考的面试题：JDK 7 以前的版本字符串常量池是放在永久代中的，JDK 7 将字符串常量池移动到了堆中，JDK 8 直接删除了永久代，改用元空间替代永久代。

2、本地方法栈

本地方法栈与 Java 栈的作用和原理基本相同，都可以用来执行方法，不同点在于 Java 栈执行的是 Java 方法，本地方法栈执行的是本地方法。

什么是 Java 的本地方法？Java 是基于应用层的高级编程语言，无法访问操作系统底层信息，如底层硬件设备等，这个时候就需要使用其他语言来完成功能了，比如 C 语言，本地方法的使用原理如下所示：
1、在 Java 程序中声明 native 修饰的方法，只有方法定义，没有方法实现，将该 Java 文件编译成字节码文件。
2、用 javah 编译字节码文件，生成一个 .h 文件。
3、写一个 .cpp 文件实现 .h 文件中的方法。
4、将 .cpp 文件编译成动态链接库文件 .dll 。
5、使用 System.loadLibrary() 加载动态连接库文件。

这样就可以实现本地方法的调用，用 Java 调用非 Java 编写的接口，基本原理是利用反射机制，在运行的时候找到 .dll 文件并且解析，根据动态链接库中的文件名称创建出对象和方法，然后我们就可以利用对象调用方法了。

常见的本地方法有：public final native Class<?> getClass()、public native int hashCode()、protected native Object clone()。

3、程序计数器

程序计数器占用的内存空间较小，是当前线程所执行的字节码行号指示器，通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。多个线程之间的程序计数器相互独立，互不影响，为了保证每个线程都恢复后都可以找到具体的执行位置。

4、Java 堆

Java 堆用来存放实例化对象，Java 堆被所有线程共享，在虚拟机启动时创建，用来存放对象实例，是 Java 内存结构中的大头，占用大部分的空间，是 GC 的主要管理区域，又可分为年轻代、老年代、永久代，JDK 8 及以后去掉了永久代。

年轻代

年轻代又可分为 Eden，from Survivor，to Survivor。

Eden区：对象刚被创建的时候，存放在 Eden 区，如果 Eden 区放不下，则放在 Survivor 区，甚至老年代中。

Survivor 区：Survivor 又可分为 Survivor From 和 Survivor To，GC 回收时使用，将 Eden 中存活的对象存入 Survior From 中，下一次回收时，将 Survior From 中的对象存入 Survior To 中，清除 Survior From ，下一次回收时重复次步骤，Survior From 变成 Survior To，Survivor To 变成 Survivor From，依次循环，同时每次回收，对象的年龄都 +1，年龄增加到一定程度的对象，移动到老年代中。

老年代

存放生命周期较长的对象。JDK 8 之后改用元空间替代永久代。

元空间

Java 8 之后开始将类的元数据放在堆内存中，这块区域叫做元空间，在 Java 7 及以前，元空间是放在永久代中的，Java 8 之后分离出来了。

元空间和永久代是方法区的实现，方法区只是一种规范，在 Java 7 之后，原先位于方法区永久代里的字符串常量池已被移动到了 Java 堆中，因为永久代的内存空间极为有限，如果频繁调用 inter 方法，内存无法存储这么多数据。在 Java 8 之后将永久代完全删除了，使用元空间替代了永久代。

元空间使用本地内存，永久代使用 JVM 内存，所以使用元空间的好处在于程序的内存不在受限于 JVM 内存，本地内存剩余多少空间，元空间就可以有多大，解决了空间不足的问题。

5、虚拟机栈

Java 方法执行的内存模型，Java 栈中存放的是多个栈帧，每个栈帧对应一个被调用的方法，主要包括局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址（方法出口）。每一个方法的执行，JVM 都会创建一个栈帧，并且将栈帧压入 Java 栈，方法执行完毕，该栈帧出栈。

局部变量表：存储方法执行过程中的所有变量，包括方法中声明的局部变量和形参。

操作数栈：方法中的计算过程都是借助于操作数栈来完成的，将参与计算的数据压入操作数栈，
栈的具体运算方式是这样的，编译器是通过两个栈来实现的，一个是保存操作数的栈，另一个是保存运算符的栈。我们从左向右遍历表达式，当遇到数字，直接压入操作数栈。当遇到运算符，先与运算符栈的栈顶元素进行比较，如果高于当前栈顶元素的优先级，直接压入，否则取出当前栈顶的运算符，同时取出操作数栈的前两个数据进行运算，并将结果压入操作数栈。再次重复上述步骤，直到当前的运算符被压入栈中，当没有新的运算符需要入栈的时候，取出当前的栈顶元素以及操作数栈的两个运算，进行运算，将结果压入操作数栈，如果方法定义时需要返回值，直接将操作数栈栈顶元素返回即可。

方法返回地址：一个方法调用结束之后要返回到调用它的地方，所以栈帧中要保持能够返回到方法调用处的地址。

每个线程都有自己的 Java 栈，相互独立，可以同时执行各种的方法，每个方法的执行都是一个栈帧的入栈和出栈过程，Java 虚拟机栈用来存储栈帧，方法调用结束之后，帧会被销毁。

以上就是 JVM 的内存结构，你都学会了吗？

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