JVM 優化系列(一) 內存區域介紹

JVM 都是由哪些部分組成 ? 他們都各自負責怎樣的工作 ?

用了 JVM 工作那麼久但是對他內部構造以及功能好像我都不太了解。透過這次筆記研究，就一次把 JVM 構造 以及最重要的 內存區域 一次搞懂。

什麼是 JVM ?

JVM 是用來運行 Java 的 .class 文件的虛擬機。

我們編寫得 .java 文件通過編譯器編譯完成後，會變成 .class 文件，然後 .class 文件會被 JVM 解釋器 (Interpreter) 編譯成機器碼在不同的 OS ( Windows/ Unix ) 上執行。每種 OS 的解釋器實現都不同，所以 Java 可以跨平台使用。

當一個 Java 進程 ( Process ) 開始運行時，JVM 就開始實例化，不同進程會實例化不同的 JVM，它們彼此是隔離的，不會共享內存。

當進程結束時，則 JVM 實例消亡。

總結 Java 程式執行步驟:

1. .java 文件編譯成 .class 文件。
2. 解釋器將 .class 文件編譯成 OS 的機器碼。
3. 機器碼調用 OS 的本地方法庫來操作系統進行工作。

JVM 構造

JVM 構造如下圖所示

下面一一解釋他們各自的功用 :

Class Loader SubSystem

用於將編譯好的 .class 文件載入到 JVM 中。

Runtime Data Area

用於儲存 JVM 運行過程中產生的資料。其中又可以按照 Thread 私有區 與 Thread 共享區 分成兩大類 :

Thread 私有區的生命週期與 Thread 相同，Thread 啟動時就一起建立，Thread 結束就銷毀。

Thread 共享區隨 JVM 啟動而建立，隨 JVM 關閉而銷毀。

Thread 私有區 :

• Program Counter (程式計數器)

  程式計數器是一塊小空間，用於存放當前執行的 Thread 所執行的程式碼行數指示器 ( 更準確來說是指令位址，如果該方法是 Native 方法則程式計數器的值為 Undefined )。每個不同的 Thread 都有一個獨立的程式計數器。

  程式計數器是 Thread 私有的內存區域，他是唯一不會有 OOM 問題的區域。

• JVM Stack (虛擬機棧)

  JVM Stack 是描述 Java 方法執行過程的內存模型。他在 Stack Frame 中儲存了局部變數表，操作數棧，動態鏈接，方法出口等訊息。同時 Stack Frame 用來儲存部分運行時資料以及其資料結構。

  Stack Frame 用來記錄方法執行過程，Thread 要執行方法時，JVM 會建立一個與該方法對應的 Stack Frame。無論方法是正常執行完還是噴錯，都視為方法執行完成。

• Native Method Area (原生方法區)

  Native Method Area 跟 JVM Stack 類似，區別是 JVM Stack 為 Thread 執行的 Java 方法服務，Native Method Area 是為 Thread 執行的原生方法服務。

Thread 共享區 :

• Java Heap (堆)

  在 JVM 執行過程中建立的物件和資料都被存放到 Java Heap 中。Heap 是 Thread 共享的，所以也就有了 Thread Safe 議題。

  Java Heap 是 GC 回收垃圾的主要內存區域。這個區域可以說是對 JVM 學習與優化上最重要的位置，後兩個章節會獨立來談 Heap 與 GC。

• Method Area (方法區)

  方法區也被稱為 永久代 (在 Java 1.8 之前，1.8 開始永久代就變成 Metaspace 了)。用於存放常數，靜態變數，類別信息，JIT (既時編譯器) 編譯後的機器碼，運行時常數池等資料。

  永久代的內存回收主要針對 Runtime Constant Pool (運行時常數池)，因此基本上回收不了什麼，因此叫做永久代。

  .class 的內容將在被 Class Loader SubSystem 載入完成後保存到方法區的 Runtime Constant Pool。

Execution Engine (執行引擎)

執行引擎（Execution Engine）負責執行 .class 文件內容。

其中可分為 2 個單元:

1. JIT Complier (即時編譯器)

Just-In-Time (JIT) 在 執行時期將 .class 文件內容編譯為原生機器碼來改善 Java 應用程式的效能 (編譯成 OS 原生，執行速度更快)。

2. Garbage Collcection (GC/垃圾回收器)

CG 是用來回收 Java Heap 內沒有被使用的物件。 GC 是一個很重要的單位，後面會單獨用一個章節細講一下 GC 相關議題。

Java Native Interface (JNI/本地介面)

JNI （Java Native Interface，Java 本地介面）是一種編程框架，使 JVM 中的 Java 程式可以呼叫本地方法庫，也可以被其他程式呼叫。

Native Method Libraries (本地方法庫)

本地方法庫一般是用其它語言（C/C++ 或組合語言等）編寫的，並且被編譯為基於本機硬體和作業系統的程式。

補充: Direct Memory (直接內存)

JDK 的 NIO 提供的 Channel 與 Buffer 的 I/O 操作方法就是基於直接存取 Direct Memory 實現。

NIO 透過調用 Native Lib 直接在 OS 上分配 Direct Memory，然後透過 DirectByteBuffer 作為 Reference 直接對其進行存取。這樣做的好處就是避免了 Java Heap 與 Native Heap 中來來回回複製資料所帶來的效能與資源浪費。因此 Direct Memory Access 技術在很多要求高併發的應用或框架中被廣泛使用 (ex: Netty，Hadoop)。