理解了 1+2 的过程，你就理解了 Java 虚拟机



在面试的时候，在问到关于JVM相关的问题，会发现不少的面试者都是机械的在记忆，稍一细问就戛然而止。属于死记硬背型的，估计是看书里记个大概的概念或者图，并没有理解含义。



实际上这块内容，看概念的时候能对照一个简单的程序分析，可以更好的理解。下面咱们开始。



市面上常见的JVM书籍里，关于JVM的体系结构，一般划分成以下几个部分：



1. 类加载器

2. 程序计数器(Program Counter Register，简称PC Register)

3. Java 虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)

4. 堆(Heap)

5. 方法区(Method Area)

6. 运行时常量池(Run-time Constant Pool)

7. 本地方法栈(Native Method Stack)

8. 栈帧(Stack Frame)

9. 执行引擎(Execution Engine)



其中2~7项，又称为运行时数据区，毕竟这些东西只有JVM 跑起来才会创建。这个分类，基本都是参照 Java 虚拟机规范。



如果干巴巴的记概念没啥意思，吃个饭可能就忘了。接下来用 1+2这个程序来试着理解它。



我们来看个初学Java 编程的时候都基本都写过的，类似 Hello World的程序。



public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = a + b;
    }
}



先javac编译之后，再用javap -verbose HelloWorld来观察一下, 你会看到类似下面的输出内容：



public class HelloWorld
  minor version: 0
  major version: 55
  flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
  this_class: #2     // HelloWorld
  super_class: #3    // java/lang/Object
  interfaces: 0, fields: 0, methods: 2, attributes: 1
Constant pool:
   #1 = Methodref          #3.#12         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #13            // HelloWorld
   #3 = Class              #14            // java/lang/Object
   #4 = Utf8               <init>
   #5 = Utf8               ()V
   #6 = Utf8               Code
   #7 = Utf8               LineNumberTable
   #8 = Utf8               main
   #9 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #10 = Utf8               SourceFile
  #11 = Utf8               HelloWorld.java
  #12 = NameAndType        #4:#5          // "<init>":()V
  #13 = Utf8               HelloWorld
  #14 = Utf8               java/lang/Object
{
  public HelloWorld();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 1: 0
  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_1
         1: istore_1
         2: iconst_2
         3: istore_2
         4: iload_1
         5: iload_2
         6: iadd
         7: istore_3
         8: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
        line 4: 2
        line 5: 4
        line 6: 8
}



好嘞。咱们都知道，上面这些就是Java的字节码。有了上面这个输出的内容，你把自己想像成虚拟机，来运行它，就理解了 Java 虚拟机里各个部分了。



首先，这部分内容，要执行，一定得先读到内存里，负载读这些内容的，就是虚拟机的类加载器。



加载进来的其实是个二进制流，然后呢，需要把它整理成对应格式的内容才方便使用嘛。比如这个类叫啥名字，继承了谁，都有什么方法，方法名字叫啥，内容是什么这些东西要找个地方放着。放哪好呢？方法区就是干这个的。



所谓的运行时常量池也是方法区里的一块区域。往上看Constant Pool 在运行时会被解析成 Run-time Constant Pool。如果涉及到对其他类的引用等等，会在加载之后再链接的时候，把这里面的符号引用转化成直接引用。



另外一些部分呢？概括来讲就是Java虚拟机栈，就是咱们常说的栈，是用来执行方法里的具体内容的。这一部分其实可以这样理解。Java 虚拟机，和我们真实的物理机类似，都会把程序提供的指令执行，只不过虚拟机是一个提供了一套有限指令集的软件。物理机基本都是基于寄存器执行，而 Java 虚拟机的对于指令的执行实现是基于栈的。



既然是栈，那栈里要放点什么？没错，是栈帧，英文是 Frames，就是咱们在使用 IDE debug 的时候看到的那一层一层的内容。





每个方法调用的时候，都会出现一帧，每一帧也是个结构，方法执行用到的东西都在里面。比如在 Debug 的时候，一般都会看到每个变量和值， 这些变量称为本地变量(local variables)，在上面的输出内容里也有stack=2, locals=4, args_size=1 我们看到locals就是本地变量，args_size是方法参数的长度，还有一个就是操作数(stack)，数值是栈的最大深度。



每个class 的任意一个方法里，都会有 frame ，它们都有自己的 local variables 本地变量表， 自己的operand stack 操作数栈，以及到run-time constant pool 运行时常量池的引用。当然，也可以有一些扩展信息，例如debug info。



那具体上面简单的一个 1+2 这个操作，对应到 jvm 指令有这些：



         0: iconst_1
         1: istore_1
         2: iconst_2
         3: istore_2
         4: iload_1
         5: iload_2
         6: iadd
         7: istore_3
         8: return



具体当前执行到第几条指令，需要有个标识，这个活儿让程序计数器给干了。这小子一直指向下一条即将执行的指令。基本栈的实现，上面的指令大意是把常量1赋值给第一个变量，常量2赋值给第二个变量，之后，变量一入栈，变量二入栈，执行iadd操作的时候，这两个数据出栈，完成求和，再赋值给变量3，入栈，再返回。下次咱们细说JVM指令的时候，再详细说说。这些指令的执行，当然离不开执行引擎。



因为不需要执行Native方法，所以我们一般不用本地方法栈,这是给类似JNI这些本地方法实现准备的。



你看，观察了1+2的过程，基本Java 虚拟机的结构是不是就理解了？:-) 如果还是记不住的话，你可以这样想啊，Java 的世界里，经常会说到堆和栈。那栈用来存啥呢？想想你 debug 时候看到的那一层层的帧， 然后再想想今天的1+2的执行，应该就齐了。