Java學(xué)習(xí)之Java虛擬機(jī)（JVM）原理

一、Java虛擬機(jī)工作原理

首先Java源文件經(jīng)過前端編譯器（javac或ECJ）將.java文件編譯為Java字節(jié)碼文件，然后JRE加載Java字節(jié)碼文件，載入系統(tǒng)分配給JVM的內(nèi)存區(qū)，然后執(zhí)行引擎解釋或編譯類文件，再由即時(shí)編譯器將字節(jié)碼轉(zhuǎn)化為機(jī)器碼。

（1）類加載

類加載指將類的字節(jié)碼文件（.class）中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，將其放在運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的方法區(qū)內(nèi)，然后在堆上創(chuàng)建java.lang.Class對(duì)象，封裝類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。類加載的最終產(chǎn)品是位于堆中的類對(duì)象，類對(duì)象封裝了類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且向JAVA程序提供了訪問方法區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的接口。

啟動(dòng)類加載器（BootstrapClassLoader）：在JVM運(yùn)行時(shí)被創(chuàng)建，負(fù)責(zé)加載存放在JDK安裝目錄下的jre\lib的類文件，或者被-Xbootclasspath參數(shù)指定的路徑中，并且能被虛擬機(jī)識(shí)別的類庫（如rt.jar，所有的java.*開頭的類均被Bootstrap ClassLoader加載）。啟動(dòng)類無法被JAVA程序直接引用。

擴(kuò)展類加載器（Extension ClassLoader）：該類加載器負(fù)責(zé)加載JDK安裝目錄下的\jre\lib\ext的類，或者由java.ext.dirs系統(tǒng)變量指定路徑中的所有類庫，開發(fā)者也可以直接使用擴(kuò)展類加載器。

應(yīng)用程序類加載器（AppClassLoader）：負(fù)責(zé)加載用戶類路徑（Classpath）所指定的類，開發(fā)者可以直接使用該類加載器，如果應(yīng)用程序中沒有定義過自己的類加載器，該類加載器為默認(rèn)的類加載器。

用戶自定義類加載器（User ClassLoader）：JVM自帶的類加載器是從本地文件系統(tǒng)加載標(biāo)準(zhǔn)的java class文件，而自定義的類加載器可以做到在執(zhí)行非置信代碼之前，自動(dòng)驗(yàn)證數(shù)字簽名，動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建符合用戶特定需要的定制化構(gòu)建類，從特定的場(chǎng)所（數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)中）取得java class。

注意如上的類加載器并不是通過繼承的方式實(shí)現(xiàn)的，而是通過組合的方式實(shí)現(xiàn)的。而JAVA虛擬機(jī)的加載模式是一種委派模式，如上圖中的1-7步所示。下層的加載器能夠看到上層加載器中的類，反之則不行。類加載器可以加載類但是不能卸載類。

（2）運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)分為方法區(qū)、Java堆、虛擬機(jī)棧、本地方法棧、程序計(jì)數(shù)器。其中方法區(qū)和Java堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，而虛擬機(jī)棧、本地方法棧、程序計(jì)數(shù)器是線程私有的內(nèi)存區(qū)。

程序計(jì)數(shù)器：線程私有的，他是一塊較小的內(nèi)存空間，他相當(dāng)字節(jié)碼于解釋器中的指針，也就是該內(nèi)存存放下一條即將執(zhí)行指令的地址。字節(jié)碼解釋器就是通過改變 這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來選擇下一條即將執(zhí)行的指令。每一個(gè)線程都有一個(gè)程序計(jì)數(shù)器（內(nèi)存），這樣線程切換的時(shí)候就能找到自己各個(gè)線程各自即將執(zhí)行的下一條指令。 所以說是線程私有的。

Java虛擬機(jī)棧：線程私有的，每一個(gè)方法在執(zhí)行的時(shí)候就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀來存放方法的局部變量，操作數(shù)棧，返回地址等，當(dāng)方法執(zhí)行完成的時(shí)候就釋放該棧幀。?棧幀:虛擬機(jī)棧中是一棧幀為單位存儲(chǔ)的，所以一個(gè)虛擬機(jī)棧中有很多棧幀，每一個(gè)棧幀中分為：局部變量區(qū)（存放方法的參數(shù)和局部變量），操作數(shù)棧，方法的返回地址，動(dòng)態(tài)鏈接（一般解析解階段是將部分符號(hào)引用轉(zhuǎn)換成直接應(yīng)用（類加載），而動(dòng)態(tài)鏈接是另外一部分的符號(hào)引用轉(zhuǎn)換成直接引用（運(yùn)行時(shí)））

本地虛擬機(jī)棧：線程私有，本地方法指的是那種不是用java語言寫的方法，java虛擬機(jī)棧只針java方法，而不是本地方法。hotspot虛擬機(jī)支持別的語言寫的方法在虛擬機(jī)上運(yùn)行，本法方法棧和java虛擬機(jī)棧一樣。只是他們服務(wù)的對(duì)象不一樣而已，一個(gè)為java方法服務(wù)，一個(gè)為native方法服務(wù)。

Java堆：線程共享的，不過也可能為多個(gè)線程分配私有的buffer，也就是每個(gè)線程有自己的緩存器，java堆可以是物理上連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的。java堆是垃圾回收器管理的主要區(qū)域，所以也叫g(shù)c堆。java堆可以分為：新生代和老年代

方法區(qū)：線程共享的，可以理解為gcc中所所說的靜態(tài)區(qū)，不過也不是確切的準(zhǔn)確，因?yàn)樵趆otspot虛擬機(jī)中他存放的是類中靜態(tài)變量和常量（注意是常量哦）。因?yàn)樗艽鎯?chǔ)常量，所以還有存儲(chǔ)常量的區(qū)域有一個(gè)特別的名稱，叫做常量池（包括引用和基本數(shù)據(jù)類型的常量），方法區(qū)并不是堆，這一點(diǎn)和靜態(tài)區(qū)很相似。所以別名叫non-heap，java堆中可以選擇不實(shí)現(xiàn)gc回收，但是實(shí)際上呢還是會(huì)的，只能說垃圾回收器在這個(gè)區(qū)域不活躍而已，但是回收都是回收常量池中的常量，而不是靜態(tài)變量。可以稱為永久代。

運(yùn)行時(shí)常量池：它是方法區(qū)的一部分，但是和方法區(qū)的常量池有區(qū)別，他存放的常量是在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的，而不是編譯時(shí)產(chǎn)生的。注意與普通方法區(qū)的區(qū)別

（3）字節(jié)碼的加載是第一步，其后分別是認(rèn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化。

加載：加載有兩種情況，①當(dāng)遇到new關(guān)鍵字，或者static關(guān)鍵字的時(shí)候就會(huì)發(fā)生（他們對(duì)應(yīng)著對(duì)應(yīng)的指令）如果在常量池中找不到對(duì)應(yīng)符號(hào)引用時(shí)，就會(huì)發(fā)生加載 ，②動(dòng)態(tài)加載，當(dāng)用反射方法（如class.forName(“類名”)），如果發(fā)現(xiàn)沒有初始化，則要進(jìn)行初始化。（注：加載的時(shí)候發(fā)現(xiàn)父類沒有被加載，則要先加載父類）

驗(yàn)證：這一階段的目的是確保class文件的字節(jié)流中包含的信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，并不會(huì)危害虛擬機(jī)自身的安全（雖然編譯器會(huì)嚴(yán)格的檢查java代碼并生成class文件，但是class文件不一定都是通過編譯器編譯，然后加載進(jìn)來的，因?yàn)樘摂M機(jī)獲取class文件字節(jié)流的方式有可能是從網(wǎng)絡(luò)上來的，者難免不會(huì)存在有人惡意修改而造成系統(tǒng)崩潰的問題，class文件其實(shí)也可以手寫16進(jìn)制，因此這是必要的）

準(zhǔn)備：該階段就是為對(duì)象分派內(nèi)存空間，然后初始化類中的屬性變量，但是該初始化只是按照系統(tǒng)的意愿進(jìn)行初始化，也就是初始化時(shí)都為0或者為null。因此該階段的初始化和我們常說初始化階段的初始化時(shí)不一樣的

解析：解析就是虛擬機(jī)將常量池中的符號(hào)引用替換成直接引用的過程。符號(hào)引用其實(shí)就是class文件常量池中的各種引用，他們按照一定規(guī)律指向了對(duì)應(yīng)的類名，或者字段，但是并沒有在內(nèi)存中分配空間，因此符號(hào)因此就理解為一個(gè)標(biāo)示，而在直接引用直接指向內(nèi)存中的地址

初始化：簡(jiǎn)單講就是執(zhí)行對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)，給類的靜態(tài)字段按照程序的意愿進(jìn)行初始化，注意初始化的順序。（此處的初始化由兩個(gè)函數(shù)完成，一個(gè)是,初始化所有的類變量（靜態(tài)變量），該函數(shù)不會(huì)初始化父類變量，還有一個(gè)是實(shí)例初始化函數(shù),對(duì)類中實(shí)例對(duì)象進(jìn)行初始化，此時(shí)要如果有需要，是要初始化父類的）

Java JVM 虛擬化

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