JVM内幕:Java虚拟机详解

这篇文章解释了Java 虚拟机(JVM)的内部架构。下图显示了遵守 Java SE 7 规范的典型的 JVM 核心内部组件。

 

上图显示的组件分两个章节解释。第一章讨论针对每个线程创建的组件,第二章节讨论了线程无关组件。

  • 线程
    • JVM 系统线程
    • 每个线程相关的
    • 程序计数器
    • 本地栈
    • 栈限制
    • 栈帧
    • 局部变量数组
    • 操作数栈
    • 动态链接
  • 线程共享
    • 内存管理
    • 非堆内存
    • 即时编译
    • 方法区
    • 类文件结构
    • 类加载器
    • 更快的类加载
    • 方法区在哪里
    • 类加载器参考
    • 运行时常量池
    • 异常表
    • 符号表
    • Interned 字符串

线程

这里所说的线程指程序执行过程中的一个线程实体。JVM 允许一个应用并发执行多个线程。Hotspot JVM 中的 Java 线程与原生操作系统线程有直接的映射关系。当线程本地存储、缓冲区分配、同步对象、栈、程序计数器等准备好以后,就会创建一个操作系统原生线程。Java 线程结束,原生线程随之被回收。操作系统负责调度所有线程,并把它们分配到任何可用的 CPU 上。当原生线程初始化完毕,就会调用 Java 线程的 run() 方法。run() 返回时,被处理未捕获异常,原生线程将确认由于它的结束是否要终止 JVM 进程(比如这个线程是最后一个非守护线程)。当线程结束时,会释放原生线程和 Java 线程的所有资源。

JVM 系统线程

如果使用 jconsole 或者其它调试器,你会看到很多线程在后台运行。这些后台线程与触发 public static void main(String[]) 函数的主线程以及主线程创建的其他线程一起运行。Hotspot JVM 后台运行的系统线程主要有下面几个:

虚拟机线程(VM thread) 这个线程等待 JVM 到达安全点操作出现。这些操作必须要在独立的线程里执行,因为当堆修改无法进行时,线程都需要 JVM 位于安全点。这些操作的类型有:stop-the-world 垃圾回收、线程栈 dump、线程暂停、线程偏向锁(biased locking)解除。
周期性任务线程 这线程负责定时器事件(也就是中断),用来调度周期性操作的执行。
GC 线程 这些线程支持 JVM 中不同的垃圾回收活动。
编译器线程 这些线程在运行时将字节码动态编译成本地平台相关的机器码。
信号分发线程 这个线程接收发送到 JVM 的信号并调用适当的 JVM 方法处理。

线程相关组件

每个运行的线程都包含下面这些组件:

程序计数器(PC)

PC 指当前指令(或操作码)的地址,本地指令除外。如果当前方法是 native 方法,那么PC 的值为 undefined。所有的 CPU 都有一个 PC,典型状态下,每执行一条指令 PC 都会自增,因此 PC 存储了指向下一条要被执行的指令地址。JVM 用 PC 来跟踪指令执行的位置,PC 将实际上是指向方法区(Method Area)的一个内存地址。

栈(Stack)

每个线程拥有自己的栈,栈包含每个方法执行的栈帧。栈是一个后进先出(LIFO)的数据结构,因此当前执行的方法在栈的顶部。每次方法调用时,一个新的栈帧创建并压栈到栈顶。当方法正常返回或抛出未捕获的异常时,栈帧就会出栈。除了栈帧的压栈和出栈,栈不能被直接操作。所以可以在堆上分配栈帧,并且不需要连续内存。

Native栈

并非所有的 JVM 实现都支持本地(native)方法,那些提供支持的 JVM 一般都会为每个线程创建本地方法栈。如果 JVM 用 C-linkage 模型实现 JNI(Java Native Invocation),那么本地栈就是一个 C 的栈。在这种情况下,本地方法栈的参数顺序、返回值和典型的 C 程序相同。本