【JVM】JVM执行流程和内存区域划分

简介: 【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.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

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

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,ifwhilefor 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,tnm 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
  • nTest 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
  • static 修饰的变量,称为“类属性”;static 修饰的方法,称为“类方法
  • 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 newnew 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.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


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