【JVM】JVM执行流程和内存区域划分

是什么

Java 虚拟机

• JDK，Java 开发工具包
• JRE，Java 运行时环境
• JVM，Java 虚拟机

JVM 就是 Java 虚拟机，解释执行 Java 字节码

JVM 执行流程

编程语言可以分为：

• 编译型语言：先将高级语言转换成二进制的机器指令，再由 CPU 去直接执行
• 解释型语言：一边去转换，一边去执行
  这样的说法放单今天，硬件不适用了

按照上述这种经典的划分方式，可以认为 Java 属于“半编译，半解释”。Java 这么设定，最主要的目的就是为了“跨平台”。

• 像 C++这样的语言是直接编译成了二进制的机器指令，而不同的 CPU 支持的指令不一样，而且生成的可执行程序，在不同的系统上也有不同的格式
  • Windows 可执行程序：PE 格式
  • Linux 可执行程序：ELF 格式

当前看到的手机操作系统，为什么只有安卓、iOS？

• 因为搞一个新的系统，现有的软件不能兼容，没有生态也就没有市场
• 鸿蒙能直接运行安卓程序，是因为鸿蒙不是新系统，只是安卓套壳

Java 不想重新编译，而是期望能够直接执行

• 先通过 javac 把 .java 文件==> .class 文件（字节码文件，包含的就是 Java 字节码，Java 自己搞的一套 CPU 指令）
  • 因为如果生成 CPU 直接能执行的指令的话，不同的 CPU 支持的指令就不一样，就不能在所有系统上执行
• 这样先把 java 代码转成对应的 java 字节码文件，然后在某个具体的系统平台上执行，此时通过 JVM 把上述的字节码转换成对应的 CPU 能识别的机器指令（JVM 就是一个翻译官的角色）

通过上述转换，我们就可以不去重新编译，也能够完成良好的跨平台。因此，我们编写和发布一个 java 程序，其实就只要发布 .class 文件就可以了，JVM 拿到 .class 文件之后，就知道如何转换

• Windows 上的 JVM 就可以把 .class 转换成 Windows 上能支持的可执行指令了
• Linux 上的 JVM 就可以把.class 转换成 Linux 上可以支持的可执行指令了
  不同平台的局面是存在差异的，而不是同一个。对上（给 java 层面上提供的内容）是统一一致的

内存区域划分

JVM 其实也是一个进程（任务管理器中看到的 java 进程）
进程运行过程中，要从操作系统这里车身轻一些资源（内存就是其中的典型资源），这些内存空间就支撑了后续 java 程序的执行。

• 比如，在 java 中定义变量（就会申请内存），内存其实就是 JVM 从系统这边申请到的内存，然后再交给具体的 java 程序去使用

JVM 从系统申请了一大块内存，这一大块内存给 java 程序使用的时候，又会根据实际的使用用途，来划分出不同的空间，这就是所谓的“区域划分”

堆

代码中 new 出来的对象，都是在堆里。对象中持有的非静态成员变量，也都在堆里。只有一份

• 静态成员变量在元数据区

栈

本地方法栈/虚拟机栈。包含了方法调用关系和局部变量

• 在代码执行过程中，肯定会涉及到很多方法的调用，调用的关系就通过栈空间记录下来
• 虚拟机栈，记录了 Java 代码的调用关系，Java 代码的局部变量
• 本地方法栈，记录了 JVM 内部，通过 C++ 写的代码的调用关系和局部变量

一般不会关注本地方法栈，一般来说谈到栈，就默认指的是“虚拟机栈”

这里谈到的“堆“和“栈“，和数据结构中的“堆“和“栈“是不同的。这里的是两块区域

程序计数器

这个区域比较小，专门用来存储下一条要执行的 Java 指令的地址

元数据区

“元数据”是计算机中的一个常见术语（meta data），往往指的是一些辅助性质的，描述性质的属性。只有一份

比如：硬盘上不仅仅要存储数据本体，还要存储一些辅助信息：文件的大小、文件的位置、文件的拥有者、文件的修改时间、文件的权限信息… 这些辅助信息统称为“元数据”

在以前的 Java 版本中，也叫做“方法区”，从 1.8 开始改的名字

云数据区中主要保存：

• 类的信息
• 方法的信息
  一个程序，有哪些类、每个类里都有哪些方法、每个方法里面都要包含哪些指令，都会记录在元数据区。

我们写的 Java 代码，if、while、for 等各种逻辑运算，这些操作都会被转换成 Java 字节码

• javac 就会完成上述代码到字节码的转换
• 此时这些字节码在程序运行的时候就会被 JVM 加载到内存中，放到元数据区（方法区）里面
• 之后，当前程序要如何执行，要做哪些事情，就会按照上述元数据区里面记录的字节码一次执行了

我们所编写的代码，都会被转换成二进制指令，都会进入到内存中，然后才能执行。

类似于剧本杀

• 剧本杀里面给美格玩家发一个剧本，每个玩家就按照剧本上给出的要求来演
• 此处所谓 Java 字节码，要执行的方法的细节，就像剧本一样，需要把剧本加载到内存中，然后才能执行

堆和元数据区只有一份（所有线程共享一份），栈和程序计数器可能有 n 份（和线程相关，每个线程都有自己的程序计数器和栈（每个线程有自己的执行流））

经典笔试题

在下面代码中，t、n、m 分别处于 JVM 内存中的哪个区域？

class Test() {private int n;private static int m;
}main() {Test t = new Text();
}

• t 是一个局部变量（引用类型），在栈上
• n 是 Test 的成员变量，new 出来的 Test 是在堆上的，所以 n 作为成员变量也是处于堆上
• static 修饰的变量，称为“类属性”；static 修饰的方法，称为“类方法”
• 非 static 修饰的变量，称为“实例属性”；非 static 修饰的方法，称为“实例方法”
• 所以这里的 m 是长在类上的成员，和 new 不 new 实例没有关系。上述带有 static 修饰的变量，就是在类对象中，也就是在元数据区中（方法区）

类对象，Test.class

• JVM 把 .class 文件加载到内存之后，就会把这里的信息使用对象来表示，此时这样的对象就是类对象
• 类对象里就包含了一系列的信息，包括但不限于：
  • 类的名称
  • 类继承自那个类
  • 实现了哪些接口
  • 都有哪些成员，都叫什么，都是什么类型，都是什么权限
  • 都有哪些方法，都叫什么，都是什么参数，都是什么权限

.java 文件中涉及到的信息都会在 .class 中有所体现（注释是不会包含的）

区分一个变量在哪个内存区域中，最主要的就是看变量的形态

• 局部变量
• 成员变量
• 静态成员变量
• …