工作以來，代碼越寫越多，程序也越來越臃腫，效率越來越低，對(duì)于我這樣一個(gè)追求***的程序員來說，這是絕對(duì)不被允許的，于是除了不斷優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)外，內(nèi)存優(yōu)化和性能調(diào)優(yōu)就成了我慣用的“伎倆”。

要對(duì)Java程序進(jìn)行內(nèi)存優(yōu)化和性能調(diào)優(yōu)，不了解虛擬機(jī)的內(nèi)部原理(或者叫規(guī)范更嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn))是肯定不行的，這里推薦一本好書《深入Java虛擬機(jī) (第二版)》(Bill Venners著，曹曉剛 蔣靖 譯，實(shí)際上本文正是作者閱讀本書之后，對(duì)Java虛擬機(jī)的個(gè)人理解闡述)。當(dāng)然了，了解Java虛擬機(jī)的好處并不僅限于上述兩點(diǎn)好處。從更深一點(diǎn)的技術(shù)層 面上看，了解Java虛擬機(jī)的規(guī)范和實(shí)現(xiàn)，將更加有助于我們編寫高效、穩(wěn)定的Java代碼。比如，假如了解Java虛擬機(jī)的內(nèi)存模型，了解虛擬機(jī)的內(nèi)存回 收機(jī)制，那么我們就不會(huì)過分依賴它，而會(huì)在需要的時(shí)候顯式的”釋放內(nèi)存”(Java代碼不能顯式釋放內(nèi)存，但是可以通過釋放對(duì)象引用告知垃圾回收器回收該 對(duì)象需要被回收)，以降低不必要的內(nèi)存消耗；假如我們了解Java棧的工作原理，那么我們就可以通過減少遞歸層數(shù)，減少循環(huán)次數(shù)來降低堆棧溢出的風(fēng)險(xiǎn)。可 能對(duì)于應(yīng)用開發(fā)人員來說，可能不會(huì)直接去涉及這些Java虛擬機(jī)底層實(shí)現(xiàn)的工作，但是了解這些背景知識(shí)，或多或少，都會(huì)對(duì)我們寫的程序產(chǎn)生潛移默化的好的 影響。

本篇文章，將簡(jiǎn)明扼要的說明Java虛擬機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和內(nèi)存模型，如有用詞不妥或解釋不準(zhǔn)確之處，請(qǐng)不吝指正，深感榮幸!

Java 虛擬機(jī)體系結(jié)構(gòu)

類裝載子系統(tǒng)

Java虛擬機(jī)有兩種類裝載器，分別是啟動(dòng)類裝載器和用戶自定義裝載器。

通類裝載子系統(tǒng)通過類的全限定名（包名和類名，網(wǎng)絡(luò)裝載還包括 URL）將 Class 裝載進(jìn)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)。對(duì)于每一個(gè)被裝載的類型，Java虛擬機(jī)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class類的實(shí)例來代表該類型，該實(shí)例被放在內(nèi)存中的堆 區(qū)，而裝載的類型信息則位于方法區(qū)，這一點(diǎn)和所有其他對(duì)象都是一樣的。

類裝載子系統(tǒng)在裝載一個(gè)類型前，除了要定位和導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制class文件外，還要驗(yàn)證導(dǎo)入類的正確性，為類變量分配并初始化內(nèi)存，以及解析符號(hào)引用為直接引用，這些動(dòng)作嚴(yán)格按照以下順序進(jìn)行：

1）裝載——查找并裝載類型的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；

2）連接——執(zhí)行驗(yàn)證，準(zhǔn)備以及解析(可選)

3）驗(yàn)證 確保被導(dǎo)入類型的正確性

4）準(zhǔn)備 為類變量分配內(nèi)存，并將其初始化為默認(rèn)值

5）解析 把類型中的符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為直接應(yīng)用

方法區(qū)

對(duì)于每一個(gè)被類裝載子系統(tǒng)裝載的類型，虛擬機(jī)都會(huì)保存下列數(shù)據(jù)到方法區(qū)：

• 類型的全限定名

• 類型超類的全限定名(java.lang.Object沒有超類)

• 類型是類類型還是接口類型

• 類型的訪問修飾符

• 任何直接超接口的全限定名有序列表

除了上述基本類型信息，還將保存如下信息：

• 類型的常量池

• 字段信息(包括字段名、字段類型、字段修飾符)

• 方法信息(包括方法名、返回類型、參數(shù)的數(shù)量和類型、方法修飾符，如果方法不是抽象和本地的，還將保存方法的字節(jié)碼、操作數(shù)棧和該方法棧幀中的局部變量區(qū)的大小和異常表)

• 常量以外的所有類變量(其實(shí)就是類的靜態(tài)變量，因?yàn)殪o態(tài)變量是所有實(shí)例共享的，且與類型直接相關(guān)，所以他們是類一級(jí)的變量，作為類的成員被保存在方法區(qū))

一個(gè)到類ClassLoader的引用

//返回的就是剛才保存的ClassLoader引用  
String.class.getClassLoader();

一個(gè)到Class類的引用

//將返回剛才保存的Class類的引用  
String.class;

注意，方法區(qū)也是可以被垃圾回收器回收的。

堆

Java程序在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建的所有類實(shí)例或數(shù)組都放在同一個(gè)堆中，而每一個(gè)Java虛擬機(jī)也是有一個(gè)對(duì)空間，所有線程共享一個(gè)堆(這就是一個(gè)多線程的Java程序會(huì)產(chǎn)生對(duì)象訪問的同步問題的原因了)。

由于每一種Java虛擬機(jī)都有對(duì)虛擬機(jī)規(guī)范的不同實(shí)現(xiàn)，所以我們可能不知道每一種Java虛擬機(jī)在堆中是以何種形式表示對(duì)象實(shí)例的，不過我們可以通過下面這可能的實(shí)現(xiàn)來一窺端倪：

程序計(jì)數(shù)器

對(duì)于運(yùn)行中的Java程序而言，每一個(gè)線程都有自己的PC（程序計(jì)數(shù)器）寄存器，它是在該線程啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建的，大小為一個(gè)字長(zhǎng)，用來保存需要被執(zhí)行的下一行代碼的位置。

Java棧

每一個(gè)線程都有一個(gè)Java棧，以棧幀為單位保存線程的運(yùn)行狀態(tài)。虛擬機(jī)對(duì)Java棧的操作有兩種：壓棧和出棧，二者都已幀為單位。棧幀保存了傳入?yún)?shù)、局部變量、中間運(yùn)算結(jié)果等數(shù)據(jù)，在方法完成時(shí)被彈出，然后釋放。

看一下兩個(gè)局部變量相加時(shí)棧幀的內(nèi)存快照

本地方法棧

這是 Java 調(diào)用操作系統(tǒng)本地庫(kù)的地方，用來實(shí)現(xiàn) JNI（Java Native Interface，Java 本地接口）

執(zhí)行引擎

Java虛擬機(jī)的核心，控制裝入 Java 字節(jié)碼并解析；對(duì)于運(yùn)行中的Java程序而言，每一個(gè)線程都是一個(gè)獨(dú)立的虛擬機(jī)執(zhí)行引擎的實(shí)例，從線程生命周期的開始到結(jié)束，他要么在執(zhí)行字節(jié)碼，要么在執(zhí)行本地方法。

本地接口

連接了本地方法棧和操作系統(tǒng)庫(kù)。

注:文中所有提到”Java虛擬機(jī)”的地方都是指”JavaEE和JavaSE平臺(tái)的Java虛擬機(jī)規(guī)范”。