java進階——JVM

1、JVM概述

作用

Java 虛擬機就是二進制字節碼的運行環境，負責裝載字節碼到其內部，解釋/編譯為對 應平臺上的機器碼指令行，每一條 java 指令，java 虛擬機中都有詳細定義，如怎么取操 作數，怎么處理操作數，處理結果放在哪兒。

特點：

一次編譯到處運行

自動內存管理

自動垃圾回收功能

現在的 JVM 不僅可以執行 java 字節碼文件,還可以執行其他語言編譯后的字節碼文件,是一 個跨語言平臺.

JVM的位置

JVM 是運行在操作系統之上的，它與硬件沒有直接的交互。

構成部分：

JVM 整體組成可分為以下四個部分：

1.類加載器（ClassLoader）

2.運行時數據區（Runtime Data Area）

3.執行引擎（Execution Engine）

4.本地庫接口（Native Interface）

簡圖：

詳細圖：

各個組成部分的用途

程序在執行之前先要把 java 代碼轉換成字節碼（class 文件），jvm 首先需要 把字節碼通過一定的方式 類加載器（ClassLoader） 把文件加載到內存中 的運行時數據區（Runtime Data Area） ，而字節碼文件是 jvm 的一套指 令集規范，并不能直接交個底層操作系統去執行，因此需要特定的命令解析 器執行引擎（ExecutionEngine） 將字節碼翻譯成底層系統指令再交由 CPU 去執行，而這個過程中需要調用其他語言的接口 本地庫接口（Native Interface） 來實現整個程序的功能，這就是這 4 個主要組成部分的職責與 功能。

而我們通常所說的 JVM 組成指的是運行時數據區（Runtime Data Area），因為通常需要程序員調試分析的區域就是“運行時數據區”，或者 更具體的來說就是“運行時數據區”里面的 Heap（堆）模塊。

Java 代碼的執行流程

Java 編譯器編譯過程中，任何一個節點執行失敗就會造成編譯失敗。雖然各個 平臺的 java 虛擬機內部實現細節不盡相同，但是它們執行的字節碼內容卻是一 樣的。 JVM 主要任務就是負責將字節碼裝載到其內部，解釋/編譯為對應平臺上的機器 指令執行。JVM 使用類加載器（Class Loader）裝載 class 文件。 類加載完成后，會進行字節碼校驗，字節碼校驗通過之后 JVM 解釋器會把字節 碼翻譯成機器碼交由操作系統執行。 但不是所有的代碼都是解釋執行，JVM 對此作了優化，比如 HotSpot 虛擬機， 它本身提供了 JIT(Just In Time)編譯器.

JVM 架構模型

Java 編譯器輸入的指令流基本上是一種基于棧的指令集架構,另一種指令集架構 是基于寄存器的指令集架構.

基于棧式架構的特點

設計和實現更簡單,適用于資源受限的系統. 使用零地址指令方式分配,其執行過程依賴于操作棧,指令集更小,編譯器容易實 現.不需要硬件支持,可移植性好,更好實現跨平臺.

基于寄存器式架構特點:

指令完全依賴于硬件,可移植性差.

性能優秀,執行更高效.

完成一項操作使用的指令更少.

使用 javap -v class 文件可以將 class 文件反編譯為指令集.

所以由于跨平臺的設計,Java 指令集都是根據棧來設計的,不同 CPU 架構不同,

所以不能設計為基于寄存器的.

優點是跨平臺,指令集小,編譯器容易實現.

缺點是性能下降,實現同樣功能需要更多的指令.

2、JVM結構-類加載

類加載子系統

作用:

類加載器子系統負責從文件系統或者網絡中加載 class 文件。

主負責加載類, 有執行引擎執行,存放在方法區(元空間)

扮演者的是一個快遞員的角色

1. class file 存在于硬盤上,可以理解為設計師畫在紙上的模板,而最終這個模板 在執行的時候是要加載 JVM 當中來,根據這個模板實例化出 n 個一模一樣的實 例.

2. class file 加載到 JVM 中,被稱為 DNA 元數據模板,放在方法區中.

3. 在.class–>JVM–>最終稱為元數據模板,此過程就要有一個運輸工具(類加 載器 Class Loader),扮演一個快遞員的角色.

類加載過程

1.加載

根據類的地址,從硬盤上讀取類的信息,

將信息讀入到方法區,生成Class類的對象

2.鏈接

驗證: 驗證字節碼文件格式是否是當前虛擬機所支持的文件格式,語法格式

準備: 為靜態成員分配默認值(int 默認值0) 注意static final在編譯期間賦值

解析: 將字節碼中符號引用 替換 成 直接引用

例如: 編寫代碼 方法1 中調用 方法2 (符號引用)

類加載到內存后把符號的引用地址 換成 內存的地址引用

3.初始化

類什么時候初始化

1 )創建類的實例，也就是 new 一個對象

2）訪問某個類或接口的靜態變量，或者對該靜態變量賦值

3）調用類的靜態方法

4）反射（Class.forName(“”)）

5）初始化一個類的子類（會首先初始化子類的父類）

類的初始化順序

先初始化靜態的,多個靜態的按照從上向下的順序執行,

如果類有父類,則先初始化父類的靜態,然后是子類.

如果是創建對象,先調用父類的構造方法,然后是子類自己的構造方法

類加載器

站在JVM的角度劃分: 啟動類加載器(不是java語言寫的),

其他類加載(都是java語言寫的)

站在開發者的角度:

啟動類加載器(引導類加加載器)

這個類加載器使用 C/C++語言實現,嵌套在 JVM 內部.它用來加載 java 核心類

庫.

負責加載擴展類加載器和應用類加載器

加載<JAVA_HOME>lib

擴展類加載類器

是由java語言實現的 繼承自ClassLoader

負責加載 E:ProgramFilesJavajdk1.8.0_261jrelibext

應用程序類加載器(系統類加載器)

Java 語言編寫的,由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 實現.

派生于 ClassLoader 類.

負責加載用戶類

用戶自定義類加載器(例如tomcat)

雙親委派機制

類的加載時按需加載,使用時才會加載.

類加載時,加載器都會將類交給父級類加載器加載.

如果所有的父級加載沒有找到類,

則一級一級的向下委派查找.

如果都找不到,那么就會拋出異常.

目的: 為了安全考慮 避免了用戶自己寫的類覆蓋了系統中的類.

類的主動使用和被動使用

主動使用會觸發類的初始化

new

使用靜態變量 靜態方法

反射加載類

執行main方法

子類被初始化 父類也會觸發初始化

被動使用不會觸發了類的初始化

僅僅使用類的靜態常量 而且是直接賦字面量的那種

將類作為數組的類型聲明使用時不會觸發初始化

3、JVM 運行時數據區

堆,方法區(元空間) 主要用來存放數據 是線程共享的.

程序計數器,本地方法棧,虛擬機棧 是運行程序的,是線程私有的.

程序計數器

jvm中的程序計數器不是cpu中的寄存器, 可以理解為計數器.

是一塊非常小的內存空間,運行速度是最快的,不會出現內存溢出情況.

作用:記錄當前線程中的方法執行的位置. 以便于cpu在切換執行時,記錄程序執行的為位置.

在運行時數據區中唯一一個不會出現內存溢出的區域.

本地方法棧

當我們在程序中調用本地方法時,會將本地方法加載到 本地方法棧中執行.

也是線程私有的, 如果空間不夠,也會出現棧溢出錯誤. hashCode();

虛擬機棧

背景: java為了移植性好(跨平臺) 所以將運行程序的設計架構為棧結構運行, 而不是依賴于cpu的寄存器架構.

棧是運行時的單位(加載方法運行),

而堆是存儲的單位(存儲對象的).

作用運行方法 一個方法就是一個棧幀. 棧幀中包含( 局部變量(基本類型,引用地址) 方法地址,返回地址)

棧中的操作 入棧,出棧
棧中異常 StackOverflowError：線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度。 遞歸調用方法次數過多

棧中存儲方法運行時需要的數據

棧的運行原理 第一個方法被加載 入棧 在方法中調用了其他方法, 另一個方法入棧 方法運行結束后出棧.

棧幀的結構:
局部變量表: 方法參數,定義的局部變量, 基本值類型直接存值, 引用類型存地址.

操作數棧

動態鏈接

方法返回地址

4、Java 堆

5、方法區