[Java知识库]JVM基础入门

1、引言

1.1 虚拟机

? 所谓虚拟机（Virtual Machine），就是一台虚拟的计算机。它是一款软件，用来执行一系列虚拟计算机指令。大体上，虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。

• Visual Box，Mware就属于系统虚拟机，它们完全是对物理计算机的仿真，提供了一个可运行完整操作系统的软件平台。
• 程序虚拟机的典型代表就是Java虚拟机，它专门为执行单个计算机程序而设计，在Java虚拟机中执行的指令我们称为Java字节码指令。

无论是系统虚拟机还是程序虚拟机，在上面运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。

1.2 java虚拟机(JVM)

? Java虚拟机是一台执行Java字节码的虚拟计算机，它拥有独立的运行机制，其运行的Java字节码未必都是由Java语言编译而成。Java技术的核心就是Java虚拟机（JVM，Java Virtual Machine），因为所有的Java程序都运行在Java虚拟机内部。Java虚拟机就是二进制字节码的运行环境，负责装载字节码到其内部，解释/编译为对应平台上的机器指令执行。每一条Java指令，Java虚拟机规范中都有详细定义，如怎么取操作数，怎么处理操作数，处理结果放在哪里。

JVM平台的各种语言可以共享Java虚拟机带来的跨平台性、优秀的垃圾回器，以及可靠的即时编译器。

特点：

• 一次编译，任何平台运行
• 自动内存管理
• 自动垃圾回收功能

1.3 JVM的位置

? JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。

1.4 JVM整体结构（简化版的）

JVM主要由三部分组成：

1. 类加载系统 （Class Loader Subsystem）
2. 运行时数据区（Runtime Data Area）
3. 执行引擎（Execution Engine）

详细结构图

1.5 JVM生命周期

1.5.1 虚拟机的启动

Java虚拟机的启动是通过引导类加载器（bootstrap class loader）创建一个初始类（initial class）来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现指定的。

1.5.2 虚拟机的执行

• 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序。
• 程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止。
• 执行一个所谓的Java程序的时候，真真正正在执行的是一个叫做Java虚拟机的进程。

1.5.3 虚拟机的退出

有如下的几种情况：

• 程序正常执行结束

• 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止

• 由于操作系统用现错误而导致Java虚拟机进程终止

• 某线程调用Runtime类或system类的exit方法，或Runtime类的halt方法，并且Java安全管理器也允许这次exit或halt操作。

• 除此之外，JNI（Java Native Interface）规范描述了用JNI Invocation API来加载或卸载 Java虚拟机时，Java虚拟机的退出情况。

2、JVM各个组成部分

2.1 类加载系统 （Class Loader Subsystem）

? 类加载系统负责动态加载类，在运行时（而非编译时），当一个类初次被引用的时候，它将被加载、链接、装入（初始化）。

2.1.1 加载（Load）

类加载子系统主要 ?三个具体的类加载器，包括引导加载器（BootStrap ClassLoader）, 扩展加载器（Extension ClassLoader），应用加载器（Application ClassLoader），自定义类加载器（CustomClassLoader）

1. 自定义类加载器（CustomClassLoader）：这类加载器有用户自己定义，并可以加载指定路径下的class文件。

2. 应用程序类加载器（App ClassLoader）：加载应用程序classpath目录下的所指定的类库，继承URLClassLoader。

3. 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：加载JRE/lib/ext下面指定要用的jar包，继承URLClassLoader。

4. 启动（根）类加载器（Bootstrap ClassLoader）：非常的特殊，它不是java类，该类加载器由C++实现，它嵌套在JVM内核里，当JVM启动时该类加载器就启动了。负责加载Java基础类，对应加载的文件是JRE/lib/ 目录下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar等。

以上类加载器通过双亲委派模型执行类加载：

? 当一个Class文件要被加载时，先不看自己的加载器，首先委派给应用程序加载器（App ClassLoader），此时会判断是否加载此类，如果加载过，就直接直接加载，否则继续向上委派，此时委派给扩展类加载器（Extention ClassLoad），此时会判断是否加载此类，如果加载过，就直接直接加载，否则继续向上委派，此时委派给启动类加载器（BoootStrap ClassLoad），时会判断是否加载此类，如果加载过，就直接直接加载，否则返回给自定义加载器进行加载，如果此时定义加载器还不能加载，就会抛出ClassNotFond。

2.1.2 链接（Link）

1. 校验（Verify） – 字节码验证器会验证生成的字节码是否正确，如果校验失败，会返回校验错误。
2. 准备（Prepare） – 所有的静态变量会被分配内存并且赋默认值。
3. 解析（Resolve） – 所有的符号内存引用 symbolic memory references 将被方法区的原始引用替代。

2.1.3 初始化

初始化是类加载的最后一步，在这里静态变量会被赋予初值，静态方法区会被执行。

2.2 运行时数据区（Runtime Data Area）

运行时数据区可以划分为五个区域

1. 方法区（Method Area） – 所有的类级别的数据都会存储到这里，包括静态变量。方法区在JVM中是唯一的，共享资源。
2. 堆区（Heap Area） – 所有的对象和她对应的实例变量和数组都被存储在这个区域。堆区也是唯一的、线程共享的资源，所以存储在该区域的数据并不是线程安全的。
3. 堆栈区（Stack Area）：对于每个线程，将创建单独的运行时堆栈。对于每个方法调用，将在堆栈存储器中产生一个条目，称为堆栈帧。所有局部变量将在堆栈内存中创建。堆栈区域是线程安全的，因为它不共享资源。堆栈框架分为三个子元素：

• 局部变量数组（Local Variable Array）：与方法相关，涉及局部变量，并在此存储相应的值
• 操作数堆栈（Operand stack）：如果需要执行任何中间操作，操作数堆栈将充当运行时工作空间来执行操作
• 帧数据（Frame Data）：对应于方法的所有符号存储在此处。在任何异常的情况下，捕获的区块信息将被保持在帧数据中；

4. PC寄存器（PC Registers）：每个线程都有单独的PC寄存器，用于保存当前执行指令的地址。一旦执行指令，PC寄存器将被下一条指令更新；

5. 本地方法堆栈（Native Method stacks）：本地方法堆栈保存本地方法信息。对于每个线程，将创建一个单独的本地方法堆栈。

2.3 执行引擎

分配给运行时数据区的字节码将由执行引擎执行，执行引擎读取字节码并逐个执行。

3.1 解释器：解释器更快地解释字节码，但执行缓慢。解释器的缺点是当一个方法被调用多次时，每次都需要一个新的解释；

3.2 JIT编译器：JIT编译器消除了解释器的缺点。执行引擎将在转换字节码时使用解释器的帮助，但是当它发现重复的代码时，将使用JIT编译器，它编译整个字节码并将其更改为本地代码。这个本地代码将直接用于重复的方法调用，这提高了系统的性能。JIT的构成组件为：

• 中间代码生成器（Intermediate Code Generator）：生成中间代码
• 代码优化器（Code Optimizer）：负责优化上面生成的中间代码
• 目标代码生成器（Target Code Generator）：负责生成机器代码或本地代码
• 分析器（Profiler）：一个特殊组件，负责查找热点，即该方法是否被多次调用；

3.3 垃圾收集器(Garbage Collector)：收集和删除未引用的对象。可以通过调用“System.gc（）”触发垃圾收集，但不能保证执行。JVM的垃圾回收对象是已创建的对象。

Java本机接口（JNI）：JNI将与本机方法库进行交互，并提供执行引擎所需的本机库。

本地方法库（Native Method Libraries）：它是执行引擎所需的本机库的集合。

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