JVM详解：JVM的系统架构

计算机语言大致可以分为两类，一直是编译性语言，典型的如C++，他会先有编译器编译成可执行文件（操作系统可读，不同的操作系统需要编译成不同的可执行文件），而另一种则是翻译性语言，这种语言本身不被编译，而是由另一个已经被编译成可执行文件开启进程，在这个进程中对此计算机语言逐行的翻译执行，典型的如javaScript，其可以在node环境或浏览器环境（本质是都是v8引擎）下执行，这种语言通常都可以跨操作系统，因为操作系统的差异，其运行环境已经适应完了。

java相对特殊，其既需要编译，也需要翻译，大致过程是由java语言先编译成字节码文件，再由jvm充当翻译，来对字节码文件进行翻译执行，那么多此一举的好处是什么呢？

首先字节码本身是跨操作系统的，也就说在任何操作系统下，字节码都是一样的，所以编译成字节码对jvm的翻译工作不会造成负担，编译的过程本身能够处理掉很多无需在运行时执行的代码，比如类型检查，常量的创建等等（JVM也秉承着能在编译期处理，绝不再运行期处理的原则）。

1. JVM中的类型处理

JVM支持的数据类型可以分为原始类型和引用类型，与Java语言本身一样。其中，引用类型包括整型（char 也算作整型）、浮点型、布尔类型以及 returnAddress 类型。那么，什么是 returnAddress 呢？

returnAddress 是一种特殊的类型，用于保存JVM内置指令的引用，或者可以理解为指向某个内存地址的指针。在方法调用过程中，JVM需要保存调用点的返回地址，returnAddress 就用于存储该信息，通常与堆栈操作密切相关。

JVM的设计理念是尽可能将编译期能解决的工作都交给编译器来完成。因此，类型检查和类型区分这种可以在编译期间完成的事情，就是在编译阶段完成的，而不是在运行时动态执行的。例如，javac 编译器在编译Java源代码时就会根据类型生成相应的字节码。

字节码期间把类编译好不是应该的吗？不然JVM怎么知道是什么类型，换句话说JVM就不需要保存类型信息吗，不还是一样需要处理类信息吗？没错，JVM其实并不关心或者说不需要知道在运行时变量的具体类型。它只是一个翻译机器，根据字节码指令执行操作。就像操作系统运行可执行文件时，它并不关心程序的具体内容，而只按指令执行。

Boolean类型特别处理

尽管Java中有boolean类型，但JVM在内部对其的处理方式与其他基本类型不同。在JVM中，boolean类型通常被转换为 0 和 1 进行存储，boolean 数组则被转换为字节数组。

2. PC寄存器

PC寄存器（Program Counter Register）是JVM内部的重要组件，用于记录当前线程正在执行的字节码指令的位置。每个线程都有自己的PC寄存器。

• PC寄存器的作用：它指向当前线程下一条将要执行的字节码指令。每当JVM执行字节码时，PC寄存器会自动更新，指向下一个指令。对于执行JVM内置指令时，PC寄存器会指向相应的内置指令。
• 内置指令和系统调用：JVM内置的指令（例如，垃圾回收、同步操作等）类似于操作系统的内核函数。它们是公共资源，多个线程访问时需要进行同步控制，以确保安全执行。

JVM通过PC寄存器来控制每个线程的执行，就像操作系统通过CPU调度控制进程一样。在这种机制下，JVM能够有效避免Java程序对JVM本身的破坏，因为内置指令被严格保护。

多个Java程序（或服务）依赖于同一个JVM进程。当JVM崩溃时，所有运行在该JVM上的Java程序都会受到影响。因此，保护JVM不被非法操作是至关重要的。

3. JVM内存管理

JVM的内存管理涉及栈（Stack）和堆（Heap）两大区域，分别用于存储不同类型的数据。

3.1 栈（Stack）

每个线程的创建（java服务的主线程本质上就是jvm创建的一个翻译线程），都伴随着一个栈内存的创建，这个栈就是运行当前线程代码的内存区域，栈它的主要作用是存储局部变量和方法调用时的栈帧。那么什么是栈帧。

3.2 栈帧

当一个需要使用一个类的时候，jvm会将这个类加载进堆内存的方法区，单此时只会加载类的元数据信息，并不会将类的方法也一并加载进内存（内存中会保存类的方法的符号引用，不是真正的引用），每当类的方法被调用时，JVM会为该方法创建一个栈帧，并将栈帧放入线程的执行栈中执行。栈帧是方法执行的运行环境，其中包含了该方法的局部变量、操作数栈、常量池引用等信息。

局部变量的保存比较特殊，其并不是一个个游离在栈帧内存中，而是在编译期被保存在一个数组，并且将使用的常量变为常量的引用，存入数组，因为常量最终并不在栈帧中，而在常量池中，而原来使用局部变量的地方，都会变成数组及数组的索引。

3.3 方法区

在上文中，我们提到了方法区，方法区是堆的一部分，当一个类需要被使用时，其全部的类信息都会被加载进方法区中。常量也是类信息的一部分，所以常量池也在方法区中。常量池也很简单，就是保存常量的地方，在java被编译时，编译器会将java能够当作常量的部分都变为常量保存在一个常量区中，在加载类时其被加载进常量池保存，其中还包括一些符号引用，就不单独说了。

3.4 操作栈

任何一个方法的执行都会创建栈帧，而一个栈帧的创建也会伴随着一个操作栈的创建，操作栈是栈帧内的一个结构。它是存储方法执行中的临时数据（类似于CPU的寄存器）。在方法执行过程中，操作栈按需推送和弹出数据。它的存在使得栈帧内存的使用更加高效。局部变量的使用就是先将使用变量从数组中拿出，推入操作栈，再进行使用。

当A方法调用B方法，并接收其返回值时，如果B方法执行成功，并且返回值不需要被存在堆中，那么就会会被推入A方法的栈帧的操作数栈中，A方法继续执行。如果失败则执行异常逻辑，或直接报错。

3.5 堆（Heap）

堆是所有线程共享的内存区域。所有需要长期保存的内存数据，都将被放入堆中。

• 堆内存是垃圾回收的主要区域。JVM会定期检查堆内存中的对象，回收那些不再被任何线程引用的对象。

与栈不同，堆内存中的数据具有较长的生命周期，可以在多个线程之间共享。

在某些情况下，栈帧会被转移到堆中。比如，当方法的返回值被另一个方法（或者栈帧）使用，并且该返回值的生命周期超过当前栈帧的生命周期时，JVM会将栈帧中的数据转移到堆中。这和JavaScript中的闭包机制基本一样，其中栈帧对应着js中的词法环境，局部变量不能被立即回收时，对应的词法环境（栈帧）会被保存下来供后续使用。

3.6 本地方法栈

在阅读java源码中，我们会发现一些方法并没有方法体，只有一个native，对于这些方法，实际上是C++或其他语言编写的，他们无法在正常的栈结构中执行，而是在jvm提供的本地方法栈中执行，这些方法也被称为本地方法。我们也可以编写自己的本地方法，在java中使用，不过这里主要讲jvm，就不讲如何编写本地方法了。本地方法栈也是堆内存的一部分

JVM的整体内存架构大概如下图所示：

3.7 垃圾回收

JVM的垃圾回收机制与JavaScript语言也及其类似，他是通过标记-清除的方式，来标记从根节点不可达的引用，而JavaScript是通过从根节点进行寻找不可以达引用进行回收，本质上都是清除不可达内存。

• 标记阶段：JVM会从根节点（GC Root）开始，遍历所有可达的对象，标记所有存活的对象。
• 清除阶段：JVM会回收未被标记的对象，释放内存。