【面试精讲】JVM 的内存布局和运行原理（附代码）
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3、程序计数器（Program Counter Register）
Java虚拟机（JVM）是Java技术的核心，它提供了一个平台无关的运行环境，使得Java程序能够在多种硬件和操作系统平台上不加修改地运行。
本文将详细探讨JVM的内存布局以及其运行原理，并提供相关代码示例来增进理解。
一、JVM内存布局
JVM的内存布局分为若干个独立的区域，主要包括堆（Heap）、方法区（Method Area）、程序计数器（Program Counter Register）、虚拟机栈（VM Stack）和本地方法栈（Native Method Stack）。下面将逐一介绍这些区域的功能和特点。
1、堆（Heap）
堆是JVM内存中最大的一块区域，也是垃圾收集器管理的主要区域。所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。堆被所有线程共享，为了优化垃圾回收和减少内存分配延迟，它通常被分为新生代（Young Generation）、老年代（Old Generation）和永久代（Permanent Generation，Java 8 中已经被元空间（Metaspace）所取代）。
// 示例：在堆上分配对象内存
public class HeapExample {
public static void main(String[] args) {
Object obj = new Object(); // 在堆上创建一个对象
int[] array = new int[10]; // 在堆上分配一个整型数组
}
}
2、方法区（Method Area）
方法区与堆一样，是各个线程共享的内存区域。它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。在HotSpot JVM中，方法区的一部分实现为永久代，但在Java 8及其之后的版本中已被元空间所替代。
// 示例：静态变量存储在方法区
public class MethodAreaExample {
private static int STATIC_VARIABLE = 123;
}
3、程序计数器（Program Counter Register）
程序计数器是当前线程所执行的字节码的行号指示器。每个线程都有自己独立的程序计数器，是线程私有的内存。如果线程执行的是Java方法，计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果是Native方法，计数器值则为空（Undefined）。
4、虚拟机栈（VM Stack）
虚拟机栈是线程私有的，它的生命周期与线程相同。每个方法在执行时都会创建一个栈帧（Stack Frame），用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一次方法调用，都会有一个栈帧被压入虚拟机栈，方法返回时弹出。
// 示例：虚拟机栈的使用
public class VMStackExample {
public static void main(String[] args) {
methodA();
}
private static void methodA() {
int a = 10; // 局部变量存储在栈帧的局部变量表中
methodB();
}
private static void methodB() {
double b = 20.0; // 这是另一个栈帧的局部变量表项
}
}
5、本地方法栈（Native Method Stack）
本地方法栈与虚拟机栈类似，区别在于本地方法栈服务于Native方法。当一个线程调用Native方法时，例如通过JNI（Java Native Interface），会进入本地方法栈。
二、JVM运行原理
JVM的运行原理涉及到类加载机制、执行引擎以及垃圾回收策略等方面。
1、类加载机制
- 加载阶段（Loading）
- 验证阶段（Verification）
- 准备阶段（Preparation）
- 解析阶段（Resolution）
- 初始化阶段（Initialization）
- 使用阶段（Using）
- 卸载阶段（Unloading）
JVM类加载机制遵循“加载（Loading）- 链接（Linking）- 初始化（Initialization）”的过程，其中：
- 加载：读取.class文件，转换成运行时数据结构，并在方法区生成对应的Class对象。
- 链接：验证类数据的正确性，为静态变量分配内存并设置默认初始值，然后将符号引用转换为直接引用。
- 初始化：执行类构造器<clinit>()方法的过程。
// 示例：类加载过程
public class ClassLoadingExample {
static {
System.out.println("Class <ClassLoadingExample> is initialized.");
}
public static void main(String[] args) {
// 使用Class.forName触发类加载
Class.forName("com.example.ClassLoadingExample");
}
}
2、类加载机制详解
2.1、 加载阶段
此阶段用于查到相应的类（通过类名进行查找）并将此类的字节流转换为方法区运行时的数据结构，然后再在内存中生成一个能代表此类的 java.lang.Class 对象，作为其他数据访问的入口。
小贴士：需要注意的是加载阶段和连接阶段的部分动作有可能是交叉执行的，比如一部分字节码文件格式的验证，在加载阶段还未完成时就已经开始验证了。
2.2、验证阶段
此步骤主要是为了验证字节码的安全性，如果不做安全校验的话可能会载入非安全或有错误的字节码，从而导致系统崩溃，它是 JVM 自我保护的一项重要举措。
验证的主要动作大概有以下几个：
文件格式校验包括常量池中的常量类型、Class 文件的各个部分是否被删除或被追加了其他信息等；
元数据校验包括父类正确性校验（检查父类是否有被 final 修饰）、抽象类校验等；
字节码校验，此步骤最为关键和复杂，主要用于校验程序中的语义是否合法且符合逻辑；
符号引用校验，对类自身以外比如常量池中的各种符号引用的信息进行匹配性校验。
2.3、准备阶段
此阶段是用来初始化并为类中定义的静态变量分配内存的，这些静态变量会被分配到方法区上。
HotSpot 虚拟机在 JDK 1.7 之前都在方法区，而 JDK 1.8 之后此变量会随着类对象一起存放到 Java 堆中。
2.4、解析阶段
此阶段主要是用来解析类、接口、字段及方法的，解析时会把符号引用替换成直接引用。
所谓的符号引用是指以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可；而直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。
符号引用和直接引用有一个重要的区别：使用符号引用时被引用的目标不一定已经加载到内存中；而使用直接引用时，引用的目标必定已经存在虚拟机的内存中了。
2.5、初始化
初始化阶段 JVM 就正式开始执行类中编写的 Java 业务代码了。到这一步骤之后，类的加载过程就算正式完成了。
总结
了解JVM的内存布局以及运行原理，对于编写高效稳定的Java程序至关重要。通过掌握JVM的架构，开发者可以更好地理解程序的性能特点，优化内存使用，预防内存泄露，以及有效地利用JVM提供的监控和调试工具。以上内容详细介绍了JVM内存各个区域的职责和特性，并且通过代码示例阐述了JVM类加载、执行引擎运作以及垃圾回收的基本原理，旨在为深入理解JVM提供一份参考资料。
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博主v：XiaoMing_Java
📫作者简介：嗨，大家好，我是 小明（小明Java问道之路），互联网大厂后端研发专家，2022博客之星TOP3 / 博客专家 / CSDN后端内容合伙人、InfoQ(极客时间)签约作者、阿里云签约博主、全网 6 万粉丝博主。
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