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　　抽象規(guī)范;

　　一個具體的實現(xiàn);

　　一個運行中的虛擬機實例。

　　Java虛擬機抽象規(guī)范僅僅是個概念，而該規(guī)范的具體實現(xiàn)，可能來自多個提供商，并存在于多個平臺上，它或者是完全用軟件實現(xiàn)，或者以硬件和軟件相結(jié)合的方式來實現(xiàn)，當(dāng)運行一個Java程序時，也就是運行了一個Java虛擬機實例。

　　虛擬機的生命周期：Java程序初始類中的main()方法，將作為改程序初始線程的起點，任何其他的線程都是由這個初始線程啟動的。一般有兩種線程：守護(hù)線程和非守護(hù)線程。只要還有任何非守護(hù)線程在運行，那么這個Java程序也在續(xù)集運行(虛擬機仍然存活)。也可以調(diào)用Runtime類或者System類的exit()方法來退出。

　　2. Java虛擬機的體系結(jié)構(gòu)

　　每個Java虛擬機都有一個類裝載器子系統(tǒng)，它根據(jù)給定的全限定類名來裝入類型(類或接口)。同樣，每個Java虛擬機都有一個執(zhí)行引擎，它負(fù)責(zé)執(zhí)行那些包含在被裝載類的方法中的指令。

　　當(dāng)虛擬機運行一個程序時，它需要內(nèi)存來存儲許多東西，例如，字節(jié)碼，從已經(jīng)裝載的class文件中得到得其他信息，程序創(chuàng)建的對象，傳遞給方法的參數(shù)，返回值，局部變量，以及運算的中間結(jié)果等等，Java虛擬機把這些東西都組織到幾個“運行時的數(shù)據(jù)區(qū)”中，以便于管理。

　　某些運行時數(shù)據(jù)區(qū)是程序中所有線程共享的，還有一些則是只能有一個線程擁有，每個Java虛擬機實例都有一個方法區(qū)及一個堆，他們就是所有線程共享的，當(dāng)虛擬機裝載一個class文件時，他會從這個class文件包含的二進(jìn)制數(shù)據(jù)中解析類型信息，然后，他把類型信息放到方法區(qū)中，當(dāng)程序運行時，虛擬機會把所有該程序運行創(chuàng)建的對象都放到堆中。

　　當(dāng)每一個先的線程被創(chuàng)建時，它都將得到它自己的PC寄存器(程序計數(shù)器)，以及一個Java棧，如果線程正在執(zhí)行的是一個Java方法(非本地方法)，那么PC寄存器的值將總是指示下一條將被執(zhí)行的指令，而它的Java棧則總是存儲該線程中Java方法調(diào)用的狀態(tài)——包含它的局部變量，被調(diào)用傳進(jìn)來的參數(shù)，它的返回值，以及運算的中間結(jié)果等等。而本地方法調(diào)用的狀態(tài)，則是以某種依賴于具體實現(xiàn)的方法存儲在本地方法棧中，也可能實在寄存器或者其他某些與特定實現(xiàn)相關(guān)的內(nèi)存中。

　　Java棧是由許多棧幀或者說幀組成的，一個棧幀包含一個Java方法的調(diào)用狀態(tài)，當(dāng)線程調(diào)用一個Java方法時，虛擬機壓入一個新的棧幀到該線程的Java棧中，當(dāng)該方法返回時，這個棧幀被從Java棧中彈出并拋棄。

　　2.1 數(shù)據(jù)類型

　　數(shù)據(jù)類可以分為兩種：基本數(shù)據(jù)類型和引用數(shù)據(jù)類型。有八大基本數(shù)據(jù)類型，還有一種returnAddress，只在Java虛擬機內(nèi)部使用，用來實現(xiàn)Java程序中的finally子句。

　　引用類型有三種：類類型，接口類型以及數(shù)組類型。

　　2.2 運行時數(shù)據(jù)區(qū)域

　　Java虛擬機在執(zhí)行Java程序的過程中會把它所管理的內(nèi)存劃分為若干個不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。 這些區(qū)域都有各自的用途，以及創(chuàng)建和銷毀的時間，有的區(qū)域隨著虛擬機進(jìn)程的啟動而存在，有些區(qū)域則依賴用戶線程的啟動和結(jié)束而建立和銷毀。

　　2.2.1 程序計數(shù)器

　　程序計數(shù)器(Program Counter Register)是一塊較小的內(nèi)存空間，它可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。 在虛擬機的概念模型里(僅是概念模型，各種虛擬機可能會通過一些更高效的方式去實現(xiàn))，字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、 循環(huán)、 跳轉(zhuǎn)、 異常處理、 線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成。

　　由于Java虛擬機的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時間的方式來實現(xiàn)的，在任何一個確定的時刻，一個處理器(對于多核處理器來說是一個內(nèi)核)都只會執(zhí)行一條線程中的指令。 因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數(shù)器，各條線程之間計數(shù)器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域為“線程私有”的內(nèi)存。

　　如果線程正在執(zhí)行的是一個Java方法，這個計數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指令的地址;如果正在執(zhí)行的是Native方法，這個計數(shù)器值則為空(Undefined)。 此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在Java虛擬機規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。

　　2.2.2 Java虛擬機棧

　　與程序計數(shù)器一樣，Java虛擬機棧(Java Virtual Machine Stacks)也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。 虛擬機棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個方法在執(zhí)行的同時都會創(chuàng)建一個棧幀(Stack Frame[1])用于存儲局部變量表、 操作數(shù)棧、 動態(tài)鏈接、 方法出口等信息。 每一個方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。

　　經(jīng)常有人把Java內(nèi)存區(qū)分為堆內(nèi)存(Heap)和棧內(nèi)存(Stack)，這種分法比較粗糙，Java內(nèi)存區(qū)域的劃分實際上遠(yuǎn)比這復(fù)雜。 這種劃分方式的流行只能說明大多數(shù)程序員最關(guān)注的、 與對象內(nèi)存分配關(guān)系最密切的內(nèi)存區(qū)域是這兩塊。 其中所指的“堆”筆者在后面會專門講述，而所指的“棧”就是現(xiàn)在講的虛擬機棧，或者說是虛擬機棧中局部變量表部分。

　　局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類(boolean、 byte、 char、 short、 int、float、 long,double)、 對象引用(reference類型，它不等同于對象本身，可能是一個指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔?，也可能是指向一個代表對象的句柄或其他與此對象相關(guān)的位置)和returnAddress類型(指向了一條字節(jié)碼指令的地址)。

　　2.2.3 本地方法棧

　　本地方法棧(Native Method Stack)與虛擬機棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，它們之間的區(qū)別不過是虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行Java方法(也就是字節(jié)碼)服務(wù)，而本地方法棧則為虛擬機使用到的Native方法服務(wù)。 在虛擬機規(guī)范中對本地方法棧中方法使用的語言、 使用方式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒有強制規(guī)定，因此具體的虛擬機可以自由實現(xiàn)它。 甚至有的虛擬機(譬如Sun HotSpot虛擬機)直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。 與虛擬機棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

　　2.2.4 Java堆

　　對于大多數(shù)應(yīng)用來說，Java堆(Java Heap)是Java虛擬機所管理的內(nèi)存中最大的一塊。Java堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機啟動時創(chuàng)建。 此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這里分配內(nèi)存。 這一點在Java虛擬機規(guī)范中的描述是：所有的對象實例以及數(shù)組都要在堆上分配，但是隨著JIT編譯器的發(fā)展與逃逸分析技術(shù)逐漸成熟，棧上分配、 標(biāo)量替換優(yōu)化技術(shù)將會導(dǎo)致一些微妙的變化發(fā)生，所有的對象都分配在堆上也漸漸變得不是那么“絕對”了。

　　Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時候也被稱做“GC堆”(GarbageCollected Heap，幸好國內(nèi)沒翻譯成“垃圾堆”)。 從內(nèi)存回收的角度來看，由于現(xiàn)在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中還可以細(xì)分為：新生代和老代;再細(xì)致一點的有Eden空間、 From Survivor空間、 To Survivor空間等。 從內(nèi)存分配的角度來看，線程共享的Java堆中可能劃分出多個線程私有的分配緩沖區(qū)(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)。 不過無論如何劃分，都與存放內(nèi)容無關(guān)，無論哪個區(qū)域，存儲的都仍然是對象實例，進(jìn)一步劃分的目的是為了更好地回收內(nèi)存，或者更快地分配內(nèi)存。

　　根據(jù)Java虛擬機規(guī)范的規(guī)定，Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤空間一樣。 在實現(xiàn)時，既可以實現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴展的，不過當(dāng)前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現(xiàn)的(通過-Xmx和-Xms控制)。 如果在堆中沒有內(nèi)存完成實例分配，并且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。