JVM Basic - Rumtime Data Area

2022-03-24
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java , jvm

前面说了类加载器，我们接下来看看运行时数据区(Run-Time Data Areas)

Run-Time Data Areas

jvm-arch

The pc Register

JVM 可以支持多个线程同时运行，每个线程都有自己的 pc 寄存器(program counter register)。在任意时间点，任一线程在执行某个方法的代码，即该线程的当前方法(current method)。

  • 如果该方法是 native 的，pc 寄存器的值是 undefined。
  • 如果该方法不是 native 的，pc 寄存器包含当前正在执行指令的地址。

JVM 的 pc 寄存器容量足够在特定平台上保存 returnAddress (returnAddress 保存着指向JVM操作码指令的指针) 或 native 指针。

JVM 栈 (Stacks)

每个线程都有一个私有的 JVM 栈，与线程同时创建。JVM 栈存储 栈帧(frames) 对于栈帧仅有两种操作：push 和 pop。JVM 栈的内存不必是连续的。

线程执行的每个 method calls 都存储在对应的栈中，包括入参、局部变量、中间计算和其他数据。方法完成后，JVM 将从栈中删除对应的条目，完成所有的方法调用后，栈将变为空，并且在终止线程前，销毁该栈。

存储在栈中的数据仅适用于对应线程，对别的线程不适用。因此，可以说局部数据是线程安全的。

第一版的 Java 虚拟机规范 The Java® Virtual Machine Specification, JVM 栈 被称为 Java 栈 (Java stack)

JVM 规范允许Java虚拟机栈具有固定大小，或者根据计算要求动态伸缩。 如果Java虚拟机栈的大小固定，则在创建每个Java虚拟机栈时可以独立选择它们的大小。

关联的异常：

  • 如果线程中的计算需要比允许的 JVM 更大的栈，则 JVM 将抛出 StackOverflowError。

  • 如果可以动态扩展 JVM 栈容量，并且尝试进行动态扩展，但外部环境无法提供足够的内存资源，或没有足够的内存资源为新线程创建 JVM 栈，则 JVM 会抛出 OutOfMemoryError。

堆 (Heap)

堆是运行时为所有类实例和数组分配内存的区域，对所有线程共享。

堆在虚拟机启动时创建，垃圾回收器(garbage collector) 可以回收对象的堆存储，对象永远不会被显式释放内存 (deallocated)。堆的大小同样可以是固定的，或者根据计算要求动态伸缩。堆内存不必是连续的。

用户可以控制堆固定初始大小，或动态伸缩场景控制堆的最大/最小值。

关联的异常：

  • 计算需要的堆内存多于系统可以提供的内存资源， JVM 会抛出 OutOfMemoryError。

方法区 (Method Area)

方法区存储每个类的结构，如运行时常量池(run-time constant pool)，字段(field)，和方法数据(method data)，以及方法和构造函数的代码，对所有线程共享。

方法区同样在虚拟机启动时创建。尽管方法区在逻辑上是堆的一部分，但一些简单的 JVM 实现可以选择不对其进行垃圾回收或压缩。

方法区可以是固定大小，或根据计算需求进行动态伸缩。方法区内存同样不必是连续的。

关联的异常：

  • 方法区需要分配的内存多于系统可提供的内存资源，JVM 会抛出 OutOfMemoryError。

运行时长量池 (Rum-Time Constant Pool)

运行时常量池是每个类或接口的 class 文件中 constant_pool table 的运行时的表现形式。它主要包含：

  • 编译时数字文字
  • 运行时方法和字段引用

运行时常量池功能类似于常规编程语言的符号表。尽管它包含的数据范围比典型的符号表更大。

每个运行时常量池都是从 JVM 方法去分配的，当 JVM 创建类或接口时，将为该类或结构构造运行时常量池。

运行时常量池会关联如下异常：

  • 创建类或缄口时，如果运行时常量池构造所需的内存超过 JVM 方法区的可用内存，则 JVM 会抛出 OutOfMemoryError.

Native Method Stacks

JVM 可以使用传统的堆栈，俗称 “C 栈”，来支持 native 方法。native 方法栈可以用于 JVM C语言指令集的解释器。JVM 不能加载 native 方法，并且它本身不依赖于传统堆栈，不需要提供 native 方法栈。如果提供，通常在创建线程时为每个线程提供 native 方法栈。

JVM 规范允许 native 方法堆栈具有固定大小，或者根据计算要求动态扩展和收缩。如果本机方法堆栈的大小固定，则在创建每个 native 方法栈的大小时可以独立选择。

native 方法栈关联的异常：

  • 如果线程中的计算所需的 native 方法栈容量超出允许的范围，则 JVM 会抛出 StackOverflowError.
  • 如果 native 方法栈容量尝试动态扩展，但外部环境无法提供足够的内存资源，或没有足够的内存资源为新线程创建 native 方法栈，则 JVM 会抛出 OutOfMemoryError.

Execution Engine

执行引擎执行 .class(bytecode).它逐行读取字节码，使用各个存储区的数据和信息并执行指令，它可以分成三部分：

  • Interpreter：逐行解释字节码然后执行。缺点是当多处调用一个方法时，每次都需要解释步骤。
  • Just-in-Time Compiler(HotSpot)：用于提高解释器的效率，它编译整个字节码并将其转换为 native 代码，每当解释器遇见重复的方法调用时，JIT 都会为该部分提供 native 代码，因此不用解释器重复解释，从而提高了效率。
  • Garbage Collector：销毁未引用的对象，回收内存。

Java Native Interface（JNI）

JNI 是与 native 方法库交互的接口，它使 JVM 可以调用 C/C ++ 库。

Native Method Libraries

供执行引擎需要的 native 代码库。

Reference

#jmm #rumtime data area
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