想要去阿里面試？你必須得跨過(guò) JVM 這道坎！

概述

很多人想要到阿里巴巴、美團(tuán)、京東等互聯(lián)網(wǎng)大公司去面試，但是現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)大廠面試一般都必定會(huì)考核JVM相關(guān)的知識(shí)積累和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，畢竟線上系統(tǒng)寫(xiě)好代碼部署之后，每個(gè)工程師都必須關(guān)注JVM相關(guān)的東西，比如OOM、GC等問(wèn)題.

所以一起來(lái)看看JVM的最基本的區(qū)域劃分以及工作原理，這個(gè)基本上是互聯(lián)網(wǎng)公司面試必問(wèn)。

區(qū)域劃分

jvm的區(qū)域劃分如下所示：

大致就是分為：程序計(jì)數(shù)器，虛擬機(jī)棧，堆，方法區(qū)，本地方法棧，這幾個(gè)部分。

接下來(lái)我們從自己寫(xiě)好的Java代碼如何通過(guò)JVM來(lái)運(yùn)行的角度，來(lái)分析一下JVM里這些區(qū)域是如何支撐我們的Java代碼跑起來(lái)的。

程序計(jì)數(shù)器

假設(shè)我們有如下的一個(gè)類，就是最最基本的一個(gè)HelloWorld而已：

public class HelloWorld {

? ? ? ? public static void main(String[] args) {

? ? ? ? ? ??System.out.println("Hello World");

? ? ? ? }

}

上面那段代碼首先會(huì)存在于 “.java” 后綴的文件里，這個(gè)文件就是java源代碼文件，但是這個(gè)文件是面向我們程序員的，計(jì)算機(jī)他是看不懂你寫(xiě)的這段代碼的

所以此時(shí)就得通過(guò)編譯器，把“.java”后綴的源代碼文件編譯為“.class”后綴的字節(jié)碼文件。

這個(gè)“.class”后綴的字節(jié)碼文件里，存放的就是對(duì)你寫(xiě)出來(lái)的代碼編譯好的字節(jié)碼了，這個(gè)字節(jié)碼才是計(jì)算器可以理解的一種語(yǔ)言，而不是我們寫(xiě)出來(lái)的那一堆代碼。

這個(gè)字節(jié)碼看起來(lái)大概是下面這樣的：

這段字節(jié)碼并不是完全對(duì)照著HelloWorld那個(gè)類來(lái)寫(xiě)的，就是給一段示例，讓大家知道“.java”翻譯成的“.class”是大概什么樣子的。

這里比如說(shuō)“0: aload_0”這樣的，就是“字節(jié)碼指令”，他對(duì)應(yīng)了一條一條的機(jī)器指令，計(jì)算機(jī)只有讀到這種機(jī)器碼指令，才知道具體應(yīng)該要干什么。

比如說(shuō)字節(jié)碼指令可能會(huì)讓計(jì)算機(jī)從內(nèi)存里讀取某個(gè)數(shù)據(jù)，或者把某個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入到內(nèi)存里去，都有可能，各種各樣的指令，就會(huì)指示計(jì)算機(jī)去干各種各樣的事情。

所以現(xiàn)在首先明白一點(diǎn)，我們寫(xiě)好的Java代碼是會(huì)被翻譯成字節(jié)碼的，對(duì)應(yīng)各種字節(jié)碼指令。

那么Java代碼通過(guò)JVM跑起來(lái)的第一件事情就明確了， 首先Java代碼被編譯出來(lái)的字節(jié)碼指令一定會(huì)被一條一條的執(zhí)行，這樣才能實(shí)現(xiàn)我們寫(xiě)好的代碼被執(zhí)行的效果。

那么在執(zhí)行字節(jié)碼指令的時(shí)候，JVM里的程序計(jì)數(shù)器就是用來(lái)記錄每個(gè)線程當(dāng)前執(zhí)行的字節(jié)碼指令的位置的，記錄當(dāng)前線程目前執(zhí)行到了哪一條字節(jié)碼指令。

因?yàn)闀?huì)有多個(gè)線程來(lái)并發(fā)的執(zhí)行各種不同的代碼，所以每個(gè)線程都有自己的一個(gè)程序計(jì)數(shù)器，專門(mén)記錄當(dāng)前這個(gè)線程目前執(zhí)行到了哪一條字節(jié)碼指令了

下圖更加清晰的展示出了他們之間的關(guān)系。

Java虛擬機(jī)棧

Java代碼在執(zhí)行的時(shí)候，一定是線程來(lái)執(zhí)行某個(gè)方法中的代碼，比如哪怕就是上面的那個(gè)最基礎(chǔ)的HelloWorld代碼，也會(huì)有一個(gè)main線程來(lái)執(zhí)行main方法里的代碼。

在方法里，經(jīng)常會(huì)定義一些方法內(nèi)的局部變量，比如下面這樣，就在方法里定義了一個(gè)局部變量“name”。

public void sayHello() {

? ? ? ? String name = "hello";

}

所以JVM必須有一塊區(qū)域是來(lái)保存每個(gè)方法內(nèi)的局部變量等等數(shù)據(jù)的，這個(gè)區(qū)域就是Java虛擬機(jī)棧

每個(gè)線程都會(huì)去執(zhí)行各種方法的代碼，方法內(nèi)還會(huì)嵌套調(diào)用其他的方法，所以首先每個(gè)線程都有自己的Java虛擬機(jī)棧。

如果線程執(zhí)行了一個(gè)方法，那么就會(huì)被這個(gè)方法調(diào)用創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的一個(gè)棧幀，棧幀里就有這個(gè)方法的局部變量表 、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等東西，但是這里別的不太好理解，先理解一個(gè)局部變量就可以。

比如說(shuō)一個(gè)線程調(diào)用了上面寫(xiě)的“sayHello”方法，那么就會(huì)為“sayHello”方法創(chuàng)建一個(gè)棧幀，壓入線程自己的Java虛擬機(jī)棧里面去。

在棧幀的局部變量表里就會(huì)有“name”這個(gè)局部變量，下圖展示了這個(gè)過(guò)程。

接著如果“sayHello”方法調(diào)用了另外一個(gè)“greeting”方法 ，比如下面那樣的代碼：

那么這個(gè)時(shí)候會(huì)給“greeting”方法又創(chuàng)建一個(gè)棧幀壓入線程的Java虛擬機(jī)棧里，因?yàn)殚_(kāi)始執(zhí)行“greeting”方法了，而且“greeting”方法的棧幀的局部變量表里會(huì)有一個(gè)“greet”變量，這是“greeting”方法的局部變量。

接著如果“greeting”方法執(zhí)行完畢了，就會(huì)把“greeting”方法對(duì)應(yīng)的棧幀從Java虛擬機(jī)棧里給出棧，然后如果“sayHello”方法也執(zhí)行完畢了，就會(huì)把“sayHello”方法也從Java虛擬機(jī)棧里出棧。

這就是JVM中的 “?Java虛擬機(jī)棧?” 這個(gè)組件的作用，調(diào)用執(zhí)行任何方法的時(shí)候，都會(huì)給方法創(chuàng)建棧幀然后入棧。

而在棧幀里存放了這個(gè)方法對(duì)應(yīng)的局部變量之類的數(shù)據(jù)，包括這個(gè)方法執(zhí)行的其他相關(guān)的信息，方法執(zhí)行完畢之后就出棧。

Java堆內(nèi)存

JVM中有另外一個(gè)非常關(guān)鍵的區(qū)域，就是Java堆，這里就是存放我們?cè)诖a中創(chuàng)建的各種對(duì)象的，比如說(shuō)下面的代碼：

public void teach(String name) {

? ? Student student = new Student(name);

? ? student.study();

}

上面的 “new Student(name)” 這個(gè)代碼就是創(chuàng)建了一個(gè)Student類型的對(duì)象實(shí)例，這個(gè)對(duì)象實(shí)例里面會(huì)包含一些數(shù)據(jù)。

比如說(shuō)這個(gè)Student的“name”就是屬于這個(gè)對(duì)象實(shí)例的一個(gè)數(shù)據(jù)，那么類似Student這樣的對(duì)象，就會(huì)存放在Java堆內(nèi)存里。

Java堆內(nèi)存區(qū)域里會(huì)放入類似Student的對(duì)象，然后方法的棧幀的局部變量表里，這個(gè)引用類型的“student”局部變量就會(huì)存放Student對(duì)象的地址。

相當(dāng)于你可以認(rèn)為局部變量表里的“student”指向了Java堆里的Student對(duì)象。

看下圖會(huì)更加清晰一些。

方法區(qū) / Metaspace

這個(gè)方法區(qū)是在JDK 1.8以前的版本里，代表JVM中的一塊區(qū)域，主要是放類似Student類自己的信息的，平時(shí)用到的各種類的信息，都是放在這個(gè)區(qū)域里的，還會(huì)有一些類似常量池的東西放在這個(gè)區(qū)域里。

但是在JDK 1.8以后，這塊區(qū)域的名字改了，叫做“Metaspace”，可以認(rèn)為是“元數(shù)據(jù)空間”這樣的意思，這里當(dāng)然主要其實(shí)還是存放我們自己寫(xiě)的各種類相關(guān)的信息。

本地方法棧

其實(shí)在JDK很多底層API里，比如IO相關(guān)的，NIO相關(guān)的，網(wǎng)絡(luò)Socket相關(guān)的，如果大家去看他內(nèi)部的源碼，會(huì)發(fā)現(xiàn)很多地方都不是Java代碼了。

很多地方都會(huì)去走native方法，去調(diào)用本地操作系統(tǒng)里面的一些方法，可能調(diào)用的都是c語(yǔ)言寫(xiě)的方法，或者一些底層類庫(kù)，比如下面這樣的：

public native int hashCode();

在調(diào)用這種native方法的時(shí)候，就會(huì)有線程對(duì)應(yīng)的本地方法棧，這個(gè)里面也是跟Java虛擬機(jī)棧類似的，也是存放各種native方法的局部變量表之類的信息。

堆外內(nèi)存

還有一個(gè)區(qū)域，是不屬于JVM的，通過(guò)NIO中的allocateDirect這種API，可以在Java堆外分配內(nèi)存空間。

然后通過(guò)Java虛擬機(jī)里的 DirectByteBuffer 來(lái)引用和操作堆外內(nèi)存空間，其實(shí)很多技術(shù)都會(huì)用這種方式，因?yàn)橛幸恍﹫?chǎng)景下，堆外內(nèi)存分配可以提升性能。

總結(jié)

最后做一點(diǎn)總結(jié)，我們的Java代碼通過(guò)JVM來(lái)運(yùn)行的時(shí)候，首先一定會(huì)一行一行執(zhí)行編譯好的字節(jié)碼指令。

然后在執(zhí)行的過(guò)程中，對(duì)于方法的調(diào)用，會(huì)通過(guò)Java虛擬機(jī)棧來(lái)為每個(gè)方法創(chuàng)建棧幀入棧和出棧，而且棧幀里有方法的局部變量表

接著對(duì)于對(duì)象的創(chuàng)建，會(huì)分配到Java堆內(nèi)存里去

對(duì)于類信息的存儲(chǔ)，會(huì)放在方法區(qū) / Metaspace這樣的區(qū)域里。

另外有兩塊特殊的區(qū)域：

• 本地方法棧，是執(zhí)行native方法時(shí)候用的棧，跟Java虛擬機(jī)棧是類似的

• 堆外內(nèi)存，是可以在Java堆外分配內(nèi)存空間來(lái)存儲(chǔ)一些對(duì)象。