JVM 整体结构

JasonExplorer
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概述

Java内存区域.png Jvm包含两个子系统和两个组件，两个子系统为Class Loader(类加载系统)和Execution engine(执行引擎)；两个组件Runtime data area(运行时数据区), Native Interface(本地接口)。

  1. Class Loader类加载：根据给定的类名（如：java.lang.Object）来装载class文件到Runtime data area中的方法区。
  2. 执行引擎：执行calsses中的指令
  3. 本地接口：与本地方法库交互，与其他编程语言交互的接口
  4. 运行时数据区：就是我们说的JVM内存

基本流程： 首先编译器把Java代码转换成字节码，类加载器（Class Loader）将字节码加载到内存中，将其放在运行时数据区的方法区，字节码是JVM的一套指令集规范，并不是交给底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器执行引擎，将字节码翻译成底层的操作系统指令，在交有CPU去执行，而这个过程需要调用其他语言本地接口来实现整个程序的功能。

1. 类加载子系统

1.1 JVM 类加载机制

Jvm类加载机制分为5个部分，加载，验证，准备，解析，初始化

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加载

加载是类加载过程中的一个阶段， 这个阶段会在内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象， 作为方法区这个类的各种数据的入口。注意这里不一定非得要从一个 Class 文件获取，这里既可以从 ZIP 包中读取（比如从 jar 包和 war 包中读取），也可以在运行时计算生成（动态代理），也可以由其它文件生成(比如将 JSP 文件转换成对应的 Class 类)。

验证

这一阶段的主要目的是为了确保 Class 文件的字节流中包含的信息是否符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量的初始值阶段，即在方法区中分配这些变量所使用的内存空间。

解析

解析阶段是指虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。

初始化

初始化阶段是类加载最后一个阶段，前面的类加载阶段之后，除了在加载阶段可以自定义类加载器以外，其它操作都由 JVM 主导。到了初始阶段，才开始真正执行类中定义的 Java 程序代码。

1.2 类加载器ClassLoader

1.2.1 类加载器有哪些？

主要有一下四种类加载器:

  • 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)用来加载java核心类库，无法被java程序直接引用。
  • 扩展类加载器(extensions class loader):它用来加载 Java 的扩展库。Java 虚拟机的实现会提供一个扩展库目录。该类加载器在此目录里面查找并加载 Java 类。
  • 系统类加载器（system class loader）：它根据 Java 应用的类路径（CLASSPATH）来加载 Java 类。一般来说，Java 应用的类都是由它来完成加载的。可以通过 ClassLoader.getSystemClassLoader()来获取它。
  • 用户自定义类加载器，通过继承 java.lang.ClassLoader类的方式实现。

1.2.2 什么是双亲委派模型

双亲委派模型：

如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一层的类加载器都是如此，这样所有的加载请求都会被传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载无法完成加载请求（它的搜索范围中没找到所需的类）时，子加载器才会尝试去加载类。

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1.2.3 打破双亲委派模型

打破双亲委派机制则不仅要继承ClassLoader类，还要重写loadClass和findClass方法。

2. 运行时数据区

2.1 程序计数器(Program Counter Register)

当前线程所执行字节码的行号指示器，字节码的解析工作是通过改变这个计数器的值，来选取下一条要执行的字节码指令，分支，循环，跳转，异常处理，线程恢复等基础功能，都要依赖这个技术器来完成。

2.2 虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)

用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。

2.3 本地方法栈(Native Method Stack)

与虚拟机栈的作用一样，只不过虚拟机栈调用的时Java方法，本地方法栈调用的时Native方法。

2.4 方法区(Method area)

用于存储虚拟机加载的类的信息，常量，静态变量，即时编译后代码等数据。

2.5 堆(Java Heap)

Java虚拟机中内存最大的一块，是被所有线程所共享的，几乎所有对象的实例都是在这里分配内存的。当然也有列外后面会详细说明。

虚拟机栈

线程私有，是每个方法执行的内存模型，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame) 用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。每一个方法从调用完到执行完成的过程，就对应着一个栈帧从虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

3. 执行引擎

3.1 概述

虚拟机字节码执行引擎

3.2 运行时栈帧结构

栈帧(Frame)是用来存储数据和部分过程结果的数据结构，同时也被用来处理动态链接(Dynamic Linking) 方法返回值和异常分派。栈帧随着方法调用而创建，随着方法结束而销毁-无论方法正常结束还是异常中断都算方法结束。

image.png

3.3 基于栈的字节码执行引擎

通过一个例子，来看看执行引擎是如何执行代码的。

public class Test {

    public int math() {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = (a + b) * 10;
        return c;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        int result = test.math();
    }
}

执行本地编译字节码命令 D:\me\leetCode\src\main\java>javac Test.java D:\me\leetCode\src\main\java>javap -c -l Test > Test.txt 对照Jvm基本指令可以看出程序执行的过程。

image.png

参考资料：

《深入理解Java虚拟机》

《疯狂创客：Java面试题》

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