JVM虚拟机模型: 一次编译，到处运行

java程序经过一次编译之后，将java代码编译为字节码也就是class文件，然后在不同的操作系统上依靠不同的java虚拟机进行解释，最后再转换为不同平台的机器码，最终得到执行。

java程序它的执行流程

typescript 复制代码

public class HelloWorld { 
    public static void main(String[] args) {
       System.out.print("Hello world");
    }
}

编译Java代码

java代码通过编译之后生成字节码文件（class文件）。这个过程由JAVA编译器完成。

运行`java HelloWorld`指令

运行java HelloWorld执行java程序，java会根据系统版本找到jvm.cfg，位于$\JAVA_HOME\jre\lib${amd64}\jvm.cfg，内容如下：

shell 复制代码

# Copyright (c) 2003, 2013, Oracle and/or its affiliates. All rights reserved. 
# You may also select a JVM in an arbitrary location with the 
# "-XXaltjvm=<jvm_dir>" option, but that too is unsupported 
# and may not be available in a future release. 
# -server KNOWN -client IGNORE

...

server KNOWN 就表示名称为server的jvm可用

javascript 复制代码

$...\JetBrains\IntelliJ IDEA...\jbr\bin\server\jvm.dll 
$...\Java\jre...\bin\server\jvm.dll ...

简而言之 就是通过jvm.cfg文件找到对应的jvm.dll，jvm.dll则是java虚拟机的主要实现。

初始化JVM

初始化JVM,并且获取JNI接口。

什么是JNI接口：JNI接口是java本地接口，java被编译成了class文件，JVM通过JNI接口从硬盘上找到这个文件并装载到JVM里。它还常用于java与操作系统、硬件交互）

运行程序

通过JNI接口（它还常用于java与操作系统、硬件交互），找到class文件后并装载进JVM，然后找到main方法，最后执行。

JVM基本结构

JVM是可运行Java代码的假想计算机，包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收，堆和一个存储方法域。JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。下图是JVM的基本结构：

class文件被jvm装载以后，经过jvm的内存空间调配，最终是由执行引擎完成class文件的执行。当然这个过程还有其他角色模块的协助，这些模块协同配合才能让一个java程序成功的运行，下面就详细介绍这些模板，它们也是后面学习jvm最重要的部分。

内存空间

JVM内存空间包含：方法区、java堆、java栈、本地方法栈。

方法区

方法区是各个线程共享的区域，存放类信息、常量、静态变量

java堆

java堆也是线程共享的区域，我们的类的实例就放在这个区域。

可以想象你的一个系统会产生很多实例，因此java堆的空间也是最大的。如果java堆空间不足了，程序会抛出OutOfMemoryError异常。堆内存划分：

JDK 1.8和以前
在JDK7以及其前期的JDK版本号中。堆内存通常被分为三块区域Nursery内存(young generation)、长时内存(old generation)、永久内存(Permanent Generation for VM Matedata)。
JDK 1.8以后
JDK 1.8以后Java 堆主要分为2个区域-年轻代与老年代，年轻代包括Eden 区和 Survivor 区，Survivor 区又分From区和 To区。

JDK 1.8以后不再用永久带，永久代已经不存在，存储的类信息、编译后的代码数据等已经移动到了元空间（MetaSpace）中，元空间并没有处于堆内存上，而是直接占用的本地内存（NativeMemory）。

java栈

栈也叫栈内存，主管Java程序的运行，是在线程创建时创建，一个线程对应一个java栈，每执行一个方法就会往栈中压入一个元素。它的生命期是跟随线程的生命期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就Over，生命周期和线程一致，是线程私有的。

往栈中压入一个元素叫"栈帧"，而栈帧中包括了方法中的局部变量、用于存放中间状态值的操作栈。

如果java栈空间不足了，程序会抛出StackOverflowError异常

想一想什么情况下会容易产生这个错误：递归，递归如果深度很深，就会执行大量的方法，方法越多java栈的占用空间越大。

栈运行原理

栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在，栈帧是一个内存区块，是一个数据集，是一个有关方法和运行期数据的数据集。当一个方法A被调用时就产生了一个栈帧F1，并被压入到栈中，A方法又调用了B方法，于是产生栈帧F2也被压入栈，B方法又调用了C方法，于是产生栈帧F3也被压入栈...... 依次执行完毕后，先弹出后进......F3栈帧，再弹出F2栈帧，再弹出F1栈帧。其顺序遵循先进后出 、后进先出原则。

帧的组成

1.局部变量区：包括方法参数和局部变量，其中方法参数按照声明顺序严格放置，局部变量可以任意放置。对于instance方法，还要首先保存this类型。

操作数栈：
帧数据区：用来帮助支持常量池的解析，正常方法返回和异常处理

本地方法栈

本地方法栈角色和java栈类似，只不过它是用来表示执行本地方法的，本地方法栈存放的方法调用本地方法接口，最终调用本地方法库，实现与操作系统、硬件交互的目的。

PC寄存器

PC寄存器的作用就是控制程序指令的执行顺序。执行引擎就是根据PC寄存器调配的指令顺序，依次执行程序指令。

"类已经加载了，实例对象、方法、静态变量都去了自己该去的地方"，那么程序该怎么执行，哪个方法先执行，哪个方法后执行，这些指令执行的顺序就是PC寄存器在管。

tips :

基本类型的变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分配
实例变量存在堆内存中
静态变量+常量+类信息+运行时常量池存在方法区中

Java能力框架之JVM原理