最近看了《深入理解Java虚拟机》这本书，感觉书中的章节写的很零散，如果能够通过一个完整的例子将所有的知识点串联起来，将整个故事讲清楚，无疑对Java虚拟机运作原理的学习有更好的帮助，本文之所以称为自上而下的Java虚拟机是受《计算机网络：自顶向下方法》启发，想要从上层开始讲起，然后逐步了解这些我们习以为常背后Java虚拟机所做的工作，以期这篇总结能够让Java虚拟机运作的脉络更加清晰。

将Java程序编译成Class文件

在我们写完Java程序后，我们需要利用Javac命令将Java文件编译成Class文件，也就是字节码文件，字节码文件包含Java虚拟机能够执行的指令。Java是面向对象的语言，每个类都会被编译成一个Class文件，这个文件必须符合一定的格式才能够被Java虚拟机所加载。一个Class文件会包含一下几个域：

魔数与版本信息
常量池，分为字面量和符号变量两种，从内容上来说包含了：类和接口的全限定名，字段的名称和描述符，方法的名称和描述符
类的访问标识符
字段表集合，包含元数据信息和属性表（常量时会用到，ConstantValue）
方法表集合，包含元数据信息和属性表（Code属性）
属性表集合
- Code属性，最重要的一个属性，里面存储了方法编译后字节码指令，并且含有最大操作栈深度，最大局部变量表空间，这些都是在编译后决定的
- ConstantValue属性，用于存储final关键字定义的常量值
- 还有其他的如Exceptions异常表等等

加载将要运行的类

在编译Java文件生成Class文件后，要想使用Java命令运行刚刚生成的Java程序的main函数，Java虚拟机首先要加载要执行main函数的主类，Java虚拟机加载一个类的过程5个阶段：加载，验证，准备，解析和初始化。每个阶段都有不同的目的，整个类加载的总的目的我总结为一句话：加载Class文件到Java虚拟机的方法区，并且做必要的安全验证和初始化工作。下面列出了类加载5个阶段的主要目的。

加载加载的主要目的是通过类的全限定名获取类的二进制流，并将二进制流转换成Java虚拟机方法区的运行时数据结构，生成java.langClass对象（方法区中）作为该类各种数据的访问接口。
验证验证的主要目的是为了确保Class文件的字节流包含的信息符合虚拟机的要求
准备准备的主要目的是类变量分配内存并设置初始值，也就是给static的变量设置初始值，例如static int类型的类变量会在方法区初始化为0
解析解析的主要目的是将常量池的符号引用转换成直接引用的过程
初始化 初始化阶段的目的是执行类构造器的方法，方法是为将执行程序中类变量的赋值动作和静态语句块，在执行当前类的初始化之前，Java虚拟机会先初始化其父类，所以这个过程可能会出发新的类加载过程。

解释完类加载的过程，我们还缺少两个问题的答案，一个是什么时候会触发类加载的过程，另一个是类加载的过程是由谁来实现的，下面我们来回答这两个问题。
第一个问题其实我们已经知道了两种情况，一种是在执行主类main函数的时候，主类会被加载，另一种是在类加载的初始化阶段，当当前加载的类有父类的时候，会出发父类的类加载过程，除了这两种情况，还有一下几种情况会出发类加载过程

遇到new，getstatic，putstatic,invokestatic指令时
使用java.lang.reflect包的方法对类的反射调用时

其他的被动引用不会引发类的初始化，典型的有

通过子类来引用父类的静态字段只会出发父类的初始化，不会出发子类的初始化
new 数组并不会出发对应类的初始化过程
引用类的final常量也不会引发初始化

第二个问题类的加载过程是由谁来实现的，Java虚拟机使用类加载器来显现类加载的加载动作，类加载器使用双亲委派模型，一句话来解释双亲委派模型就是：只有当父类加载器反馈自己无法完成加载请求时，子加载器才会尝试自己去加载。下面的图解释了这个模型。

图1：类加载器双亲委派模型

开始运行Java程序

类加载使得Java程序做好了正式运行Java程序的准备工作，接下来就是如何运行这些已经读入Java虚拟机的字节码了，在这之前，我们有必要知道Java虚拟机的运行时数据区域，这些区域的作用解释了Java虚拟机是如果分配空间，执行字节码的，从这个角度来说，Java虚拟机就是一个小型的操作系统。

图2：Java虚拟机运行时数据区域划分

如图2显示了Java虚拟机在运行时的数据区域划分，类加载子系统的加载步骤将Class文件的加载到了Java虚拟机的方法区，并且生成了java.lang.Class对象，所以方法区是用来存储编译后的字节码，包括类信息，常量，静态变量，编译后的代码数据。方法区是所有线程所共享的，这个区域也被称为永久代，所以这里面的数据的生命周期和应用程序的生命周期一样，如果出现过大过多的静态变量，常量，这个区域会出现内存溢出的异常。
堆堆是存放对象实例的地方，是所有线程所共享的，同时也是垃圾回收的主要区域
虚拟机栈 虚拟机栈是用来支持Java方法调用的内存模型，它是线程私有的内存区域。每个方法在执行的同时都会在虚拟机栈中创建一个栈帧，用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。每一个方法从调用至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中的入栈到出栈的过程。Java虚拟机栈会在之后详细介绍。
本地方法栈 本地方法栈执行Native方法时候使用
程序计数器 程序计数器指向下一条字节码的行号，用来实现跳转。

运行时栈帧结构

图3：运行时栈帧结构

如图3所示，虚拟机栈包含了n个栈帧，每个栈帧对应着一个方法，栈顶对应着当前正在执行的方法，在一个栈帧中含有4个主要的域：局部变量表，操作栈，动态链接，返回地址。

局部变量表，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量
操作数栈，用于字节码指令操作数的写入和提取，例如iadd指令运行时会弹出操作数栈的两个数相加，并把结果压入栈中
动态连接，用于支持方法调用过程中的动态连接
方法返回地址
所以完整的故事是这样的，在我们调用Java命令运行Java主类的main函数导致Java主类被加载到Java虚拟机的方法区，然后Java虚拟机栈中装入Java main函数的栈帧，程序计数器记录main函数的第一行指令，根据指令进行操作数栈压栈操作或者分配本地变量表，将指令交给JVM执行引擎执行相应的操作，或者遇到其他的方法调用，引入更多的方法栈帧，重复以上操作。

另外还有一个问题，对于方法调用，当遇到invokevirtual指令时有个分派的问题，分派有两种分派方法静态分派和动态分派，静态分派的典型例子是重载，在Parent-Sub关系的方法参数上，如果Parent p=new Sub()的情况，method（p）只会根据Parent类型进行方法调用。动态分派的典型例子是重写，如果在p.method()的情况只会根据p的实际类型进行方法调用。

垃圾回收

Java和C++之间最大的差别是Java有自动的垃圾回收机制，理解Java的垃圾回收机制只需要回答一下三个问题。

哪些内存需要回收？

Java垃圾回收的主要区域是堆区，主流的实现中是通过可达性分析来判断对象是否存活，搜索的路径是通过GC Roots对象作为起始点，GC Roots包括虚拟机栈中引用的对象，方法去中类静态属性引用的对象，常量引用的对象。

什么时候进行垃圾回收？新生代没有空间的时候将会发生GC，新生代的GC称为Minor GC,在15次没有被回收的对象移到老年代，如果老年代也没有足够的空间容纳对象，将会发起一次Full GC.
采用什么方法回收垃圾对象？

有四种常用算法回收垃圾对象：

标记清除算法
复制算法
标记整理算法
分代收集算法，将堆划分为新生代和老年代，新生代一般使用复制算法，老年代使用标记清除算法或者标记整理算法

对象的创建和内存布局

对象的创建

当执行new指令创建新的对象时，会依次做如下步骤

检查类是否被加载到方法区中，如果没有被加载，执行类的加载过程
在堆中为新生对象分配内存，用指针碰撞或者空闲列表方式
初始化内存为零值，设置对象头信息
执行构造方法

对象的内存分布

对象在内存中分为3块：对象头、实例数据和对齐填充
对象头存储对象自身的运行时数据，例如哈希码，GC分布年龄等等。可能会包含类型指针，指向类元数据。
实例数据包含对象的实例字段等等。

参考文章

漫谈 JVM 内存分代、垃圾回收
 深入理解Java运行时数据区
 Java对象在Java虚拟机中的创建过程
 Java虚拟机：Java字节码指令的执行

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