虚拟机和Java虚拟机

所谓虚拟机就是一款软件，用来执行一系类虚拟的计算机指令。大体上，虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机，VMware就属于系统虚拟机，他们完全是对物理计算机的仿真，提供了一个可运行完整操作系统的软件平台(比如：Windows上装WMware，WMware里面装Linux)。程序虚拟机就是专门为执行单个程序而设计的，java虚拟机（Java Virtual Machine）用来执行Java字节码指令的。我们写的.java文件先被编译成.class文件，java虚拟机加载这个.class文件并且执行文件中的字节码，这样我们写的java代码就运行起来了。

jvm架构

jvm架构主要分为三个子系统：类加载子系统、运行时数据区域和执行引擎。简单介绍。

  • 类加载子系统（ClassLoader Subsystem）：实现java类的动态加载功能，当java程序在运行时第一次引用某个类，类加载系统就加载、连接并且初始化这个类对应的class文件。而不是在编译期就做这些事情。
  • 运行时数据区（Runtime Data Area）：java字节码将分配到这个区域，具体介绍如下。
  • 执行引擎（Execution Engine）：分配至运行时数据区的的字节码将会被执行引擎执行，执行引擎读这些字节码并且一段一段地执行。

运行时数据区域

java虚拟机管理的内存是系统内存的一部分。java虚拟机在执行java程序时会把它管理的内存区域划分成：程序计数器、java虚拟机栈、本地方法栈、java堆和方法区五个部分。运行时数据区的内部结构如上图所示，其中虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器的是线程隔离的，每个线程中的这三个区域的随着线程的启动和结束而建立和销毁。方法区和堆是线程共享的。

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是每个线程的私有空间，java虚拟机会为每个java线程创建一个程序计数器。在任意时刻，java线程总是在执行一个方法，这个正在被执行的方法被称为当前方法，如果当前方法不是本地方法，则程序计数器就会指向当前正在被执行的指令，如果当前方法是本地方法，程序计数器的值为空。程序计数器是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程回复等基础功能都要依赖这个指示器来完成。

java虚拟机栈

java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，类的方法被执行的时候，java虚拟机就会为每个方法创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储该方法的局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每个一个方法被调用直到执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从出栈到入栈的过程。栈帧和方法是一对一的关系，虚拟机栈和方法是一堆多的关系。

每一次函数调用，都会有个对应的栈帧被压入java虚拟机栈，调用结束后这个栈帧被弹出java虚拟机栈。假如函数1中有子函数2……以此类推，对应的栈帧入栈如上图所示。由这些可以得知频繁的出栈入栈会增大时间开销，先看一段代码：

for(int i=0; i<objects.length(); i++){
    ..........
}

objects.length()执行一次应该花费不了多少时间，但是当objects中元素个数很多时，频繁的入栈出栈也会增大时间开销，显然这种写法是不可取的。

可以改成下面的代码：

int length = objects.length()
for(int i=0; i<length; i++){
    ..........
}

这么写无论objects中有多少个元素，都只执行一次入栈出栈操作。不过我已经很少使用for循环了，lambda表达式真的很好用。

栈帧的局部变量表中保存着局部变量（基本数据类型和和对象引用）。（有个问题，类的成员变量的对象引用存放在哪个区域？）

java虚拟机栈中会抛出两种异常：如果线程请求深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常，比如：递归调用忘了设置边界条件；局部变量保存会占用存储空间，当局部变量要占用的内存超过java虚拟机栈可分配的内存时，会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈的作用是相似的，不同的是：虚拟机栈的是为执行用户编写的java方法服务的，本地方法栈是为执行本地方法服务的。那什么事本地方法呢？本地方法（Native Method）在java源程序中以关键字”Native“声明，不提供函数体，其实现使用C/C++在另外的文件中编写，编写的规则遵循java本地接口规范。简而言之：本地方法就是java中声明的可使用C/C++实现的方法。

java堆

java 堆（Java Heap）是java虚拟机管理的内存中最大的一块，而且这块区域被所有的线程共享。java中的对象实例几乎都在这里分配（如果是栈上分配，对象实例会分配在栈帧中）。java对也是垃圾收集器主要发挥作用的区域（至于分配策略和垃圾回收机制，后面再写吧），同样当java对中没有内存空间完成实力分配时也会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区（Method Area）也是各个线程共享的内存区域，它用于存储已经被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。java文件编译后生成的class文件中有一项信息是常量池表（Runtime Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号应用，这部分内容在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。方法区如果无法满足新的内存分配需求是也会抛出OutOfMemoryError异常。