高手詳細介紹JVM是什么？

作者：yongyuan.jiang 2009-07-08 14:23:40

本文首先介紹一下Java虛擬機的生存周期，然后大致介紹JVM的體系結構，最后對體系結構中的各個部分進行詳細介紹。通過本文您能大概了解JVM是什么。

首先這里澄清兩個概念：JVM實例和JVM執行引擎實例，JVM實例對應了一個獨立運行的Java程序，而JVM執行引擎實例則對應了屬于用戶運行程序的線程；也就是JVM實例是進程級別，而執行引擎是線程級別的。

JVM是什么？—JVM的生命周期

JVM實例的誕生：當啟動一個Java程序時，一個JVM實例就產生了，任何一個擁有publicstaticvoidmain(String[]args)函數的class都可以作為JVM實例運行的起點，既然如此，那么JVM如何知道是運行classA的main而不是運行classB的main呢？這就需要顯式的告訴JVM類名，也就是我們平時運行Java程序命令的由來，如JavaclassAhelloworld,這里Java是告訴os運行SunJava2SDK的Java虛擬機，而classA則指出了運行JVM所需要的類名。

JVM實例的運行：main（）作為該程序初始線程的起點，任何其他線程均由該線程啟動。JVM內部有兩種線程：守護線程和非守護線程，main（）屬于非守護線程，守護線程通常由JVM自己使用，Java程序也可以標明自己創建的線程是守護線程。JVM實例的消亡：當程序中的所有非守護線程都終止時，JVM才退出；若安全管理器允許，程序也可以使用Runtime類或者System.exit()來退出。

JVM是什么？—JVM的體系結構

粗略分來，JVM的內部體系結構分為三部分，分別是：類裝載器（ClassLoader）子系統，運行時數據區，和執行引擎。下面將先介紹類裝載器，然后是執行引擎，最后是運行時數據區

1，類裝載器，顧名思義，就是用來裝載.class文件的。JVM的兩種類裝載器包括：啟動類裝載器和用戶自定義類裝載器，啟動類裝載器是JVM實現的一部分，用戶自定義類裝載器則是Java程序的一部分，必須是ClassLoader類的子類。（下面所述情況是針對SunJDK1.2）

動類裝載器：只在系統類(JavaAPI的類文件)的安裝路徑查找要裝入的類

用戶自定義類裝載器：

系統類裝載器：在JVM啟動時創建，用來在CLASSPATH目錄下查找要裝入的類其他用戶自定義類裝載器：這里有必要先說一下ClassLoader類的幾個方法，了解它們對于了解自定義類裝載器如何裝載.class文件至關重要。

protectedfinalClassdefineClass(Stringname,bytedata[],intoffset,intlength)   
protectedfinalClassdefineClass(Stringname,bytedata[],intoffset,intlength,ProtectionDomainprotectionDomain);protectedfinalClassfindSystemClass(Stringname)   
protectedfinalvoidresolveClass(Classc)

defineClass用來將二進制class文件（新類型）導入到方法區,也就是這里指的類是用戶自定義的類（也就是負責裝載類）

findSystemClass通過類型的全限定名，先通過系統類裝載器或者啟動類裝載器來裝載，并返回Class對象。

ResolveClass:讓類裝載器進行連接動作（包括驗證，分配內存初始化，將類型中的符號引用解析為直接引用），這里涉及到Java命名空間的問題，JVM保證被一個類裝載器裝載的類所引用的所有類都被這個類裝載器裝載，同一個類裝載器裝載的類之間可以相互訪問，但是不同類裝載器裝載的類看不見對方，從而實現了有效的屏蔽。

2，執行引擎：它或者在執行字節碼，或者執行本地方法

要說執行引擎，就不得不的指令集，每一條指令包含一個單字節的操作碼，后面跟0個或者多個操作數。

（一）指令集以棧為設計中心，而非以寄存器為中心這種指令集設計如何滿足Java體系的要求：

平臺無關性：以棧為中心使得在只有很少register的機器上實現Java更便利compiler一般采用stack向連接優化器傳遞編譯的中間結果，若指令集以stack為基礎，則有利于運行時進行的優化工作與執行即時編譯或者自適應優化的執行引擎結合，通俗的說就是使編譯和運行用的數據結構統一，更有利于優化的開展。

網絡移動性：class文件的緊湊性。

安全性：指令集中絕大部分操作碼都指明了操作的類型。（在裝載的時候使用數據流分析期進行一次性驗證，而非在執行每條指令的時候進行驗證，有利于提高執行速度）。

（二）執行技術

主要的執行技術有:解釋，即時編譯，自適應優化、芯片級直接執行其中解釋屬于第一代JVM，即時編譯JIT屬于第二代JVM，自適應優化（目前Sun的HotspotJVM采用這種技術）則吸取第一代JVM和第二代JVM的經驗，采用兩者結合的方式

自適應優化：開始對所有的代碼都采取解釋執行的方式，并監視代碼執行情況，然后對那些經常調用的方法啟動一個后臺線程，將其編譯為本地代碼，并進行仔細優化。若方法不再頻繁使用，則取消編譯過的代碼，仍對其進行解釋執行。

3，運行時數據區：主要包括：方法區，堆，Java棧，PC寄存器，本地方法棧

（1）方法區和堆由所有線程共享

堆：存放所有程序在運行時創建的對象

方法區：當JVM的類裝載器加載.class文件，并進行解析，把解析的類型信息放入方法區。

（2）Java棧和PC寄存器由線程獨享，在新線程創建時間里

（3）本地方法棧：存儲本地方法調用的狀態

上邊總體介紹了運行時數據區的主要內容，下邊進行詳細介紹，要介紹數據區，就不得不說明JVM中的數據類型。

JVM中的數據類型：JVM中基本的數據單元是word,而word的長度由JVM具體的實現者來決定

數據類型包括基本類型和引用類型，

（1）基本類型包括：數值類型(包括除boolean外的所有的Java基本數據類型)，boolean（在JVM中使用int來表示，0表示false，其他int值均表示true）和returnAddress（JVM的內部類型，用來實現finally子句）。

（2）引用類型包括：數組類型，類類型，接口類型

前邊講述了JVM中數據的表示，下面讓我們輸入到JVM的數據區

首先來看方法區：

上邊已經提到，方法區主要用來存儲JVM從class文件中提取的類型信息，那么類型信息是如何存儲的呢？眾所周知，Java使用的是大端序（big?endian:即低字節的數據存儲在高位內存上，如對于1234，12是高位數據，34為低位數據，則Java中的存儲格式應該為12存在內存的低地址，34存在內存的高地址，x86中的存儲格式與之相反）來存儲數據，這實際上是在class文件中數據的存儲格式，但是當數據倒入到方法區中時，JVM可以以任何方式來存儲它。

類型信息：包括class的全限定名，class的直接父類，類類型還是接口類型，類的修飾符（public,等），所有直接父接口的列表，Class對象提供了訪問這些信息的窗口（可通過Class.forName(“”)或instance.getClass()獲得），下面是Class的方法，相信大家看了會恍然大悟，（原來如此J）

getName(),getSuperClass(),isInterface(),getInterfaces(),getClassLoader();

static變量作為類型信息的一部分保存

指向ClassLoader類的引用：在動態連接時裝載該類中引用的其他類

指向Class類的引用：必然的，上邊已述

該類型的常量池：包括直接常量（String，integer和floatpoint常量）以及對其他類型、字段和方法的符號引用（注意：這里的常量池并不是普通意義上的存儲常量的地方，這些符號引用可能是我們在編程中所接觸到的變量），由于這些符號引用，使得常量池成為Java程序動態連接中至關重要的部分

字段信息：普通意義上的類型中聲明的字段

方法信息：類型中各個方法的信息

編譯期常量：指用final聲明或者用編譯時已知的值初始化的類變量

class將所有的常量復制至其常量池或者其字節碼流中。

方法表：一個數組，包括所有它的實例可能調用的實例方法的直接引用（包括從父類中繼承來的）

除此之外，若某個類不是抽象和本地的，還要保存方法的字節碼，操作數棧和該方法的棧幀，異常表。

舉例：

classLava{   
privateintspeed=5;   
voidflow(){}   
classVolcano{   
publicstaticvoidmain(String[]args){   
Lavalava=newLava();   
lava.flow();   
}   
}

運行命令JavaVolcano;

（1）JVM找到Volcano.class倒入，并提取相應的類型信息到方法區。通過執行方法區中的字節碼，JVM執行main（）方法，（執行時會一直保存指向Vocano類的常量池的指針）

（2）Main（）中第一條指令告訴JVM需為列在常量池第一項的類分配內存（此處再次說明了常量池并非只存儲常量信息），然后JVM找到常量池的第一項，發現是對Lava類的符號引用，則檢查方法區，看Lava類是否裝載，結果是還未裝載，則查找“Lava.class”,將類型信息寫入方法區，并將方法區Lava類信息的指針來替換Volcano原常量池中的符號引用，即用直接引用來替換符號引用。

（3）JVM看到new關鍵字，準備為Lava分配內存，根據Volcano的常量池的第一項找到Lava在方法區的位置，并分析需要多少對空間，確定后，在堆上分配空間，并將speed變量初始為0，并將lava對象的引用壓到棧中

（4）調用lava的flow（）方法

好了，大致了解了方法區的內容后，讓我們來看看堆

Java對象的堆實現：

Java對象主要由實例變量（包括自己所屬的類和其父類聲明的）以及指向方法區中類數據的指針，指向方法表的指針，對象鎖（非必需），等待集合（非必需），GC相關的數據（非必需）（主要視GC算法而定，如對于標記并清除算法，需要標記對象是否被引用，以及是否已調用finalize（）方法）。

那么為什么Java對象中要有指向類數據的指針呢？我們從幾個方面來考慮

首先：當程序中將一個對象引用轉為另一個類型時，如何檢查轉換是否允許？需用到類數據

其次：動態綁定時，并不是需要引用類型，而是需要運行時類型，

這里的迷惑是：為什么類數據中保存的是實際類型，而非引用類型？這個問題先留下來，我想在后續的讀書筆記中應該能明白

指向方法表的指針：這里和C++的VTBL是類似的，有利于提高方法調用的效率

對象鎖：用來實現多個線程對共享數據的互斥訪問

等待集合：用來讓多個線程為完成共同目標而協調功過。（注意Object類中的wait(),notify(),notifyAll()方法）。