JVM笔记（一）-- JVM概述和类加载子系统

RecluseOde
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一、虚拟机的两种架构模型

（一）基于栈的虚拟机（JVM）

1、优势：通过操作数栈与底层硬件解耦，实现跨平台特性；

2、缺陷：所有操作经过操作数栈与内存交互，性能相对较慢；

3、优化：通过JIT即时编译器将热点代码编译成机器码直接执行，兼顾性能。

（二）基于寄存器的虚拟机(Android、Lua等)

1、优势：寄存器与CPU直接交互，性能快；

2、缺陷：依赖底层硬件，与平台耦合；

二、JVM组成架构

（一）类加载子系统

负责将符合格式要求的class字节码信息加载到内存；

（二）执行引擎子系统

负责将字节码指令翻译成机器语言交由硬件执行；（解释器 + 即时编译器）

（三）运行时数据区

PC程序计数器、本地方法栈、虚拟机栈、元数据区、对空间；

（四）垃圾回收子系统（GC）

垃圾回收器、垃圾回收算法、GC调优；

（五）本地接口和本地方法库

Java调用非Java代码的接口。

三、类加载子系统

（一）类加载机制及过程

加载 ==》连接（验证、准备、解析）==》初始化

1、加载

（1）通过完全限定名在相应路径下查找.class文件，获取字节流数据；

（2）将静态存储结构转换为运行时存储结构；

（3）在堆内存中创建其Class对象；

（4）由类加载器完成，按需加载，可分为显式加载和隐式加载。

2、连接

（1）验证阶段：用于确保被加载的Class的正确性；

（2）准备阶段：为类中声明的静态（static）成员变量分配内存空间，初始化为默认值（零值）；

（3）解析阶段：把对常量池中的符号引用转换为直接引用。

3、初始化

（1）为静态成员变量赋初始值，执行静态代码块；（按源码顺序执行）

（2）本质上是执行类的构造器方法<clinit>()的过程；

4、使用和卸载

（JVM自带的类加载器加载的类，在JVM生命周期中始终不会被卸载）

（二）类加载器（ClassLoader）

1、Bootstrap 引导类加载器

（1）BootstrapClassLoader，C++实现，JVM自身的一部分；

（2）负责加载<JAVA_HOME>\lib路径下的核心类库，-Xbootclasspath参数指定路径下的jar包；

2、Extention 拓展类加载器

（1）ExtClassLoader，由Sun公司实现；

（2）负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext路径下的核心类库，系统变量-Djava.ext.dir指定路径下的类库；

3、Application 系统类加载器

（1）AppClassLoader，可以通过ClassLoader.getSystemClassLoader()获取；

（2）负责加载系统类路径java -classpath或-D java.class.path指定路径下的类库；

4、用户自定义类加载器

通过继承ClassLoader类实现。

5、关系

（1）BootstrapClassLoader 负责加载 ExtClassLoader，并将其父加载器设置为 BootstrapClassLoader；

（2）BootstrapClassLoader 继续加载 AppClassLoader，并将其父加载器设置为 ExtClassLoader；

（3）AppClassLoader 加载用户自定义类加载器，并将其父加载器设置为 AppClassLoader；

（4）代码无法获取 BootstrapClassLoader，返回为null；

（三）双亲委派机制

1、起因：类加载机制的隔离性问题

（1）每个类加载器都有自己的命名空间，用来保存被自己加载过的所有类的全限定名；

（2）JVM判断两个类是否相同的基准：ClassLoaderId + PackageName + ClassName；

（3）这将导致Java程序运行过程中，允许存在两个包名和类名完全一致的Class；

2、核心思想

（1）自下而上检查类是否已被加载；

（2）自上而下尝试加载类；

3、双亲委派过程

伪代码（源码ClassLoader.loadClass(String name, boolean resolve)通过递归调用实现）：

// AppClassLoader 开始尝试加载类
if (App命名空间中已加载该类) {
    return Class对象;
}
// 向上委派
if (Ext命名空间中已加载该类) {
    return Class对象;
}
// 向上委派
if (Bootstrap命名空间中已加载该类) {
    return Class对象;
}
// BootstrapClassLoader 开始尝试加载
if (该类在Bootstrap加载范围内) {
    Bootstrap加载该类;
    return Class对象;
}
// 向下尝试加载
if (该类在Ext加载范围内) {
    Ext加载该类;
    return Class对象;
}
// 向下尝试加载
if (该类在App加载范围内) {
    App加载该类;
    return Class对象;
} else {
    // 加载失败，抛出异常
    throw new ClassNotFoundException();
}

4、优势：

（1）避免了一个类在不同层级的加载器中重复加载；

（2）有效防止Java核心API类在运行时被篡改，保障核心类的安全性；

（四）自定义类加载器

1、需求

（1）加载经过网络传输的class文件；

（2）加载需要进行安全校验，需要解密的class文件；

（3）实现热部署；

2、实现方式

（1）继承 ClassLoader 类，重写 findClass() 方法；

（2）直接继承 URLClassLoader 类；

（五）SPI机制与线程上下文类加载器

1、Java的SPI机制

（1）定义：SPI(Service Provider Interface)，一种可插拔机制，一种动态的服务发现机制，例如JDBC、JBI、JNDI等；

（2）SPI接口由Java核心库来提供，一般位于rt.jar包中；

（3）第三方实现的具体代码库一般被放在classpath的路径下；

（4）第三方在编写实现类时，会在工程内创建一个META-INF/services/目录，并在该目录下创建一个与服务接口名称同名的文件，文件中保存了该接口的实现类全限定名；

（5）在程序启动的时候，就会根据约定去找到所有符合规范的实现类进行加载；

2、线程上下文类加载器加载SPI接口的实现类

（1）程序启动时 BootstrapClassLoader 初始化 Ext 和 App 类加载器，App 会被 Launcher 设置为默认的线程上下文类加载器；

（2）BootstrapClassLoader 加载rt.jar包时，无法加载第三方类，此时使用SPI机制调用 ServiceLoader.load() ，使用线程上下文类加载器（默认为App）去加载第三方类；

（3）通过线程上下文类加载器就轻易打破了双亲委派机制；

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