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1 什么是JVM?

JVM是Java Virtual Machine(Java虛擬機)的縮寫，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現的。由一套字節碼指令集、一組寄存器、一個棧、一個垃圾回收堆和一個存儲方法域等組成。JVM屏蔽了與操作系統平臺相關的信息，使得Java程序只需要生成在Java虛擬機上運行的目標代碼(字節碼)，就可在多種平臺上不加修改的運行，這也是Java能夠“一次編譯，到處運行的”原因。

2 JRE、JDK和JVM的關系

JRE(Java Runtime Environment， Java運行環境)是Java平臺，所有的程序都要在JRE下才能夠運行。包括JVM和Java核心類庫和支持文件。

JDK(Java Development Kit，Java開發工具包)是用來編譯、調試Java程序的開發工具包。包括Java工具(javac/java/jdb等)和Java基礎的類庫(java API )。

JVM(Java Virtual Machine， Java虛擬機)是JRE的一部分。JVM主要工作是解釋自己的指令集(即字節碼)并映射到本地的CPU指令集和OS的系統調用。Java語言是跨平臺運行的，不同的操作系統會有不同的JVM映射規則，使之與操作系統無關，完成跨平臺性。

下圖表示了JDK、JRE和JVM三者間的關系：

 

 

總結：使用JDK(調用JAVA API)開發JAVA程序后，通過JDK中的編譯程序(javac)將Java程序編譯為Java字節碼，在JRE上運行這些字節碼，JVM會解析并映射到真實操作系統的CPU指令集和OS的系統調用。

3 JVM原理

Java 體系結構介紹：

 

 

• Class Loader(類加載器)：用于裝載.class文件。
• Execution Engine(執行引擎)：用于執行字節碼或者本地方法。
• 運行時數據區：方法區、堆、java棧、pc寄存器、本地方法棧。

JVM生命周期介紹：

Java實例對應一個獨立運行的Java程序(進程級別)

1.啟動。啟動一個Java程序，一個JVM實例就產生。擁有public static void main(String[] args)函數的class可以作為JVM實例運行的起點。

2.運行。main()作為程序初始線程的起點，任何其他線程均可由該線程啟動。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使用，程序可以指定創建的線程為守護線程。

3.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執行引擎實例則對應了屬于用戶運行程序線程它是線程級別的。

Java類加載器：

Java加載類的過程：

 

 

1.裝載(loading)：負責找到二進制字節碼并加載至JVM中，JVM通過類名、類所在的包名、ClassLoader完成類的加載。因此，標識一個被加載了的類：類名 + 包名 + ClassLoader實例ID。

2.鏈接(linking)：負責對二進制字節碼的格式進行校驗、初始化裝載類中的靜態變量以及解析類中調用的接口。

完成校驗后，JVM初始化類中的靜態變量，并將其賦值為默認值。

最后對比類中的所有屬性、方法進行驗證，以確保要調用的屬性、方法存在，以及具備訪問權限(例如private、public等)，否則會造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等錯誤信息。

3.初始化(initializing)：負責執行類中的靜態初始化代碼、構造器代碼以及靜態屬性的初始化，以下四種情況初始化過程會被觸發。

• 調用 new
• 反射調用了類中的方法
• 子類調用了初始化
• JVM啟動過程終止定的初始化類

JVM類加載順序：

層級結構

 

 

1.Booststrap ClassLoader

跟ClassLoader，C++實現，JVM啟動時初始化此ClassLoader，并由此完成$JAVA_HONE中jre/lib/rt.jar(Sun JDK的實現)中所有class文件的加載，這個jar中包含了java規范定義的所有接口以及實現。

2.Extension ClassLoader

JVM用此classloader來加載擴展功能的一些jar包

3.System ClassLoader

JVM用此ClassLoader來加載啟動參數中指定的ClassPath中的jar包以及目錄，在Sun JDK中ClassLoader對應的類名為AppClassLoader。

4.User-Defined ClassLoader

User-Defined ClassLoader是Java開發人員繼承ClassLoader抽象類實現的ClassLoader，基于自定義的ClassLoader可用于加載非ClassPath中的jar以及目錄。

委派模式(Delegation Mode)

 

 

當JVM加載一個類的時候，下層的加載器會將任務給上一層類加載器，上一層加載檢查它的命名空間中是否已經加載這個類，如果已經加載，直接使用這個類。如果沒有加載，繼續往上委托直到頂部。檢查之后，按照相反的順序進行加載。如果Bootstrap加載器不到這個類，則往下委托，直到找到這個類。一個類可以被不同的類加載器加載。

可見性限制：下層的加載器能夠看到上層加載器中的類，反之則不行，委派只能從下到上。

不允許卸載類：類加載器可以加載一個類，但不能夠卸載一個類。但是類加載器可以被創建或者刪除。

JVM執行引擎

類加載器將字節碼載入內存后，執行引擎以java字節碼為單元，讀取java字節碼。java字節碼機器讀不懂，必須將字節碼轉化為平臺相關的機器碼。這個過程就是由執行引擎完成的。

 

 

在執行方法時JVM提供了四種指令來執行：

• invokestatic:調用類的static方法。
• invokevirtual:調用對象實例的方法。
• invokeinterface：將屬性定義為接口來進行調用。
• invokespecial：JVM對于初始化對象(Java構造器的方法為：)以及調用對象實例的私有方法時。

主要的執行計數：

• 解釋，即時執行，自適應優化、芯片級直接執行。
• 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)，吸取第一代JVM和第二代JVM的經驗，采用兩者結合的方式，開始對所有的代碼都采用解釋執行的方式，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，并進行優化。若方法不再頻繁使用，則取消編譯過代碼，仍對其進行解釋執行。

Java運行時數據區

 

 

PC寄存器

用于存儲每個線程下一步將要執行的JVM指令，若該方法為native的，則PC寄存器中不存儲任何信息。Java多線程情況下，每個線程都有一個自己的PC，以便完成不同線程上下文環境的切換。

JVM棧

JVM棧是線程私有的，每個線程創建的同時都會創建JVM棧，JVM棧中存放當前線程中局部基本類型的變量(Java中定義的八種基本類型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double)、部分的返回結果以及Stack Frame，非基本類型的對象在JVM棧上僅存放一個指向堆的地址。

堆(Heap)

它是JVM用來存儲對象實例以及數組值的區域，可以認為Java中所有通過new創建的對象的內存都在此分配，Heap中的對象的內存需要等待GC進行回收。

堆在JVM啟動的時候就被創建，堆中儲存了各種對象，這些對象被自動管理內存系統(Automatic Storage Management System)，也就是常說的“Garbage Collector(垃圾回收器)”管理。這些對象無需、也無法顯示地被銷毀。

JVM將Heap分為兩塊：新生代New Generation和舊生代Old Generation

 

 

堆是JVM中所有線程共享的，因此在其上進行對象內存的分配均需要進行加鎖，導致new對象的開銷比較大。

Sun Hotspot JVM為了提升對象內存分配的效率，對于所有創建的線程都會分配一塊獨立的空間TLAB(Thread Local Allocation Buffer)，其大小由JVM根據運行的情況計算而得，在TLAB上分配對象時不需要加鎖，因此JVM在給線程對象分配內存時會盡量的在TLAB上分配，在這種情況下JVM中分配對象內存的性能和C基本是一樣的，但如果對象過大的話則仍然要直接使用堆空間分配。

TLAB僅作用于新生代的Eden Space，因此在編寫Java程序時，通常多個小的對象比大的對象分配起來更加高效。

所有新創建的Object都將會存儲在新生代Young Generation中。如果Young Generation的數據在一次或多次GC后存活下來，那么將被轉移到OldGeneration。新的Object總是創建在Eden Space。

方法區域(Method Area)

在Sun JDK中這塊區域對應的為PermanetGeneration，又稱為持久代。

方法區域存放所加載類的信息(名稱、修飾符等)、類中的靜態變量、類中定義為final類型的常量、類中的Field信息、類中的方法信息，當開發人員在程序中通過Class對象中的getName，isInstance等方法來獲取信息時，這些數據都來源于方法區域，同時方法區域也是全局共享的，在一定條件下它也會被GC，當方法區域需要使用的內存超過其允許的大小時，就會拋出OutOfMemory的錯誤信息。

運行時常量池(Runtime Constant Pool)

存放的為類中的固定常量信息、方法和Field的引用信息等，其空間從方法區域中分配。

本地方法堆棧(Native Method Stacks)

JVM采用本地方法堆來支持native方法的執行，此區域用于存儲每個native方法調用的狀態。

JVM垃圾回收

GC的基本原理：將內存中不再被使用的對象進行回收，GC中用于回收的方法稱為收集器，由于GC需要消耗一些資源和時間，Java在對對象生命周期特征進行分析后，按照新生代、舊生代的方式來對對象進行收集，以盡可能的縮短GC對應用造成的暫停。

對新生代的對象收集稱為minor GC

對舊生代的對象收集稱為Full GC

程序中主動調用System.gc()強制執行的GC為Full GC。

不同的對象引用類型，GC會采用不同的方法進行回收，JVM對象的引用分為了四種類型：

強引用：默認情況下，對象采用的均為強引用(這個對象的實例沒有其他對象引用時， GC時才會被回收)

軟引用：軟引用是Java中提供的一種比較適合于緩存場景的應用(只有內存不夠的情況下才會被GC)

弱引用：在GC時一定會被GC回收。

虛引用：虛引用只是用來得知對象是否被GC。