1.1 JVM的运行机制

JVM（Java Virtual Machine）是用于运行Java字节码的虚拟机，包括一套字节码指令集、一组程序寄存器、一个虚拟机栈、一个虚拟机堆、一个方法区和一个垃圾回收器。JVM运行在操作系统之上，不与硬件设备直接交互。Java源文件在通过编译器之后被编译成相应的．Class文件（字节码文件），.Class文件又被JVM中的解释器编译成机器码在不同的操作系统（Windows、Linux、Mac）上运行。每种操作系统的解释器都是不同的，但基于解释器实现的虚拟机是相同的，这也是Java能够跨平台的原因。在一个Java进程开始运行后，虚拟机就开始实例化了，有多个进程启动就会实例化多个虚拟机实例。进程退出或者关闭，则虚拟机实例消亡，在多个虚拟机实例之间不能共享数据。Java程序的具体运行过程如下。

（1）Java源文件被编译器编译成字节码文件。

（2）JVM将字节码文件编译成相应操作系统的机器码。

（3）机器码调用相应操作系统的本地方法库执行相应的方法。Java虚拟机包括一个类加载器子系统（Class Loader SubSystem）、运行时数据区（Runtime Data Area）、执行引擎和本地接口库（Native InterfaceLibrary）。本地接口库通过调用本地方法库（Native Method Library）与操作系统交互，如图1-1所示。

?其中：

类加载器子系统用于将编译好的．Class文件加载到JVM中；
运行时数据区用于存储在JVM运行过程中产生的数据，包括程序计数器、方法区、本地方法区、虚拟机栈和虚拟机堆；
执行引擎包括即时编译器和垃圾回收器，即时编译器用于将Java字节码编译成具体的机器码，垃圾回收器用于回收在运行过程中不再使用的对象；
本地接口库用于调用操作系统的本地方法库完成具体的指令操作。

1.2 多线程

在多核操作系统上，JVM允许在一个进程内同时并发执行多个线程。JVM中的线程与操作系统中的线程是相互对应的，在JVM线程的本地存储、缓冲区分配、同步对象、栈、程序计数器等准备工作都完成时，JVM会调用操作系统的接口创建一个与之对应的原生线程；在JVM线程运行结束时，原生线程随之被回收。操作系统负责调度所有线程，并为其分配CPU时间片，在原生线程初始化完毕时，就会调用Java线程的run()执行该线程；在线程结束时，会释放原生线程和Java线程所对应的资源。

在JVM后台运行的线程主要有以下几个。

虚拟机线程（JVM Thread）：虚拟机线程在JVM到达安全点（SafePoint）时出现。◎ 周期性任务线程：通过定时器调度线程来实现周期性操作的执行。
GC线程：GC线程支持JVM中不同的垃圾回收活动。
编译器线程：编译器线程在运行时将字节码动态编译成本地平台机器码，是JVM跨平台的具体实现。
信号分发线程：接收发送到JVM的信号并调用JVM方法。

1.3 JVM的内存区域

JVM的内存区域分为线程私有区域（程序计数器、虚拟机栈、本地方法区）、线程共享区域（堆、方法区）和直接内存，如图所示。

线程私有区域的生命周期与线程相同，随线程的启动而创建，随线程的结束而销毁。在JVM内，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射，因此这部分内存区域的存在与否和本地线程的启动和销毁对应。

线程共享区域随虚拟机的启动而创建，随虚拟机的关闭而销毁。

直接内存也叫作堆外内存，它并不是JVM运行时数据区的一部分，但在并发编程中被频繁使用。JDK的NIO模块提供的基于Channel与Buffer的I/O操作方式就是基于堆外内存实现的，NIO模块通过调用Native函数库直接在操作系统上分配堆外内存，然后使用DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用对内存进行操作，Java进程可以通过堆外内存技术避免在Java堆和Native堆中来回复制数据带来的资源占用和性能消耗，因此堆外内存在高并发应用场景下被广泛使用（Netty、Flink、HBase、Hadoop都有用到堆外内存）。

1.3.1 程序计数器：线程私有，无内存溢出问题

程序计数器是一块很小的内存空间，用于存储当前运行的线程所执行的字节码的行号指示器。每个运行中的线程都有一个独立的程序计数器，在方法正在执行时，该方法的程序计数器记录的是实时虚拟机字节码指令的地址；如果该方法执行的是Native方法，则程序计数器的值为空（Undefined）。

程序计数器属于“线程私有”的内存区域，它是唯一没有Out Of Memory（内存溢出）的区域。

1.3.2 虚拟机栈：线程私有，描述Java方法的执行过程

虚拟机栈是描述Java方法的执行过程的内存模型，它在当前栈帧（Stack Frame）中存储了局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。同时，栈帧用来存储部分运行时数据及其数据结构，处理动态链接（Dynamic Linking）方法的返回值和异常分派（Dispatch Exception）。

栈帧用来记录方法的执行过程，在方法被执行时虚拟机会为其创建一个与之对应的栈帧，方法的执行和返回对应栈帧在虚拟机栈中的入栈和出栈。无论方法是正常运行完成还是异常完成（抛出了在方法内未被捕获的异常），都视为方法运行结束。图1-3展示了线程运行及栈帧变化的过程。线程1在CPU1上运行，线程2在CPU2上运行，在CPU资源不够时其他线程将处于等待状态（如图3-1中等待的线程N），等待获取CPU时间片。而在线程内部，每个方法的执行和返回都对应一个栈帧的入栈和出栈，每个运行中的线程当前只有一个栈帧处于活动状态。