Java虛擬機——JVM(Java Virtual Machine)解析一

1.JVM是什么？

1.1 JVM概念

Java Virtual Machine (JVM) 是JDK的核心組件之一，它使得 Java 程序能夠在任何支持 JVM 的設備或操作系統上運行，而無需修改源代碼

JDK是什么，JDK和JVM是什么關系？

在這里插入圖片描述
1.Java IDE(Integrated Development Environment)：集成開發環境，專門用于Java編程(例如IDEA)，開發Java應用程序前需要選擇某具體版本的JDK

2.JDK(Java Development Kit)
Java開發工具包，用于編寫，編譯，調試和運行Java應用程序，提供了開發Java程序所需的所有工具和資源。JDK=JRE+其他
3.JRE(Java Runtime Environment)
Java運行時環境，包含Java虛擬機(JVM)，類庫和其他文件，用于運行Java程序
通過以上的內容梳理可知，JDK包含JRE，JRE包含JVM

1.2 JVM作用

說到這里，我就要搞清楚計算機是如何認識我們編寫的代碼的
首先，計算機只認識0和1，執行的指令集也是一串一串的01。所以，我們編寫的代碼一定是被轉換為二進制文件才能被計算機執行。
其次，不同的操作系統的指令集是不同的。例如，在Windows系統中0000 0010的意思是加法，而在Linux系統中的意思是減法（只是舉例，不是真正的指令集）。
那么將開發者編寫的代碼直接轉換為二進制文件，放在不同的操作系統中運行的結果可能也不同，如果要實現同樣的功能就需要在不同的操作系統上編寫不同的代碼。
Java能跨平臺運行的原因
先回憶一下剛開始學習Java編程的時候聽過的一句話"一次編譯，到處運行"，這句話體現了Java的跨平臺能力，開發者只需要編寫一次Java代碼并編譯成字節碼文件，就可以在任何安裝了JVM的機器上執行。
下面是Java代碼從編寫到運行的過程
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java文件通過javac(Java編譯器，Java Compiler)編譯成字節碼文件(class文件)
可以把JVM看成計算機，字節碼文件就相當于JVM的指令集。然后JVM把字節碼文件轉換為對應系統的指令集，
例如：現在有"Hello World"這么一串代碼，Windows系統上的JVM將代碼轉換為0010，Linux系統上的JVM將代碼轉換為0110，最后兩個系統的執行結果都是"Hello World"，這就實現了Java程序的跨平臺運行

1.3 JVM執行流程

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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（Execution Engine）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

2.深入學習JVM

2.1運行時數據區

運行時數據區是Java程序執行時所需的內存區域。JVM啟動時，會根據不同的內存區域分配和管理內存。一般來說，線程共享的區域的生命周期和JVM一致；線程私有的區域會隨著線程的創建和銷毀跟著一起創建和銷毀，生命周期和所屬線程一致。
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2.1.1.方法區(線程共享)

方法區是JVM內存規范中定義的抽象概念，并不是真實的物理空間。

在JDK8以前，使用永久代來實現方法區。永久代是在堆中開辟的內存空間，主要存儲：

(1)類的元信息：類名，修飾符等
(2)常量池
(3)靜態變量
注：永久代的大小是在JVM啟動時固定的，難以根據實際需求來動態調整，而且永久代是在堆內存中開辟的空間，這也限制了永久代的大小。所以在JDK8之后使用元空間來實現方法區

在JDK8及以后，使用元空間來實現方法區(上面圖片中的元數據區/元空間不太準確，但我確實沒有找到更好的圖片)

元空間存儲方式相較于永久代有所改動。首先，元空間不再在堆內存中開辟空間，而是單獨向操作系統申請空間，這就不會再受到堆內存大小的限制。其次，元空間可以根據實際需求來動態調整大小。然后，元空間內部存儲的數據也發生了一些變化
(1)類的元信息依舊存儲在元空間中
(2)常量池轉移到堆中
(3)靜態變量
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2.1.2.堆(線程共享)

JVM內存中最大的部分，是所有線程共享的空間。
1.在JVM啟動時創建(可以動態調整大小，有上限)，是垃圾回收的主要位置。
2.幾乎所有的對象實例(通過new創建)都存儲在堆中。
3.從內存回收角度來看java堆可分為：新生代和老生代
注：JVM在編譯時會分析對象是否逃逸出方法或者線程，如果對象不會逃逸出方法或者線程，只在內部使用，JVM就可以將其分配在棧(線程私有)上，以提高性能減少垃圾回收的開銷，這里不做詳細討論

2.1.3.虛擬機棧(線程私有)

每個線程都有一個獨立的虛擬機棧，用于存儲棧幀（Stack Frame）。每個方法在執行時都會創建一個棧幀，用于存儲方法的局部變量，方法調用和返回地址

2.1.4.本地方法棧(線程私有)

存儲本地方法(Native Methods)調用的信息。本地方法是使用非Java語言(如C、C++)編寫的方法，它們通過JNI(Java Native Interface，Java本地方法接口)與Java代碼進行交互

2.1.5.程序計數器(線程私有)

存儲當前線程執行的字節碼指令的地址

2.2類加載器

2.2.1類加載過程

類加載包括：加載(Loading)，連接(Linking)和初始化(Initialization)三個步驟
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(1)加載(Loading)

通過類加載器將硬盤中的字節碼文件加載到運行時數據區，并生成一個類對象存儲在方法區。當然，也不一定是硬盤中的字節碼文件，還可能來自于網絡、數據庫，甚至是即時生成的字節碼文件
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注意一：著重區分加載和類加載的區別。加載(Loading)只是類加載的第一個階段；而類加載包括加載(Loading)，連接(Linking)和初始化(Initialization)三個步驟

(2)驗證(Verification)

確保類文件符合JVM規范中定義的類文件格式。
文件格式驗證：檢查文件是否是以0xCAFEBABE開頭，這是Java類文件的標識；檢查類文件的版本號是否和JVM對應，Java 8的JVM不支持Java 9的類文件
元數據驗證：確保類的元數據信息沒有語法錯誤
字節碼驗證：確保類的字節碼指令是合法的，不會導致JVM崩潰或者執行不安全操作
注意二：在今天，驗證操作不單單是驗證(Verification)這一個階段了。在解析階段還有符號引用驗證，解析階段可以發生在初始化之前，也可能發生在初始化之后(代碼中發生多態來實現后期綁定)，而且JVM的開發人員還在不斷完善驗證策略，所以驗證操作分散在各個階段內，并不是單一的階段。

(3)準備(Preparation)

為類的靜態變量分配內存并設置默認值。

 將類的靜態變量分配到方法區(有一些靜態變量不在方法區)

 基本數據類型初始化默認值，int類型初始化為0，boolean類型初始化為false

```
 引用類型初始化為null
```

 如果是靜態常量，直接賦目標值，跳過默認值

(4)解析(Resolution)

將符號引用替換為直接引用。
直接引用：指向內存中的實際地址的指針或者偏移量
符號引用：是一種文本形式的引用，使用字符串或其他符號來描述目標類，字段和方法
問題：為什么要引入符號引用？
因為在class文件加載到運行時數據區之前，class文件是在硬盤或者其他空間中存儲的(反正不是內存)，沒有地址和指針這個概念，如果要定位一個類，只能使用其他形式的標識符
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動態解析舉例：加入B類是一個抽象類，實現的是身份選擇功能，C和D類繼承了B，分別代表普通用戶和管理員。那么A到底引用C還是D，這可能需要用戶來決定。此時，A類就會先進行初始化階段，當用戶選擇完身份后再來解析

(5)初始化(Initialization)

任務：執行類的初始化代碼
觸發條件（以下任一情況都會觸發初始化）：
1.創建類的實例（new）
2.訪問類的靜態變量（非final）或靜態方法
3.反射調用類（Class.forName("com.example.MyClass")
4.子類初始化時，其父類會先被初始化
5. 作為程序入口的主類（包含main()方法的類）
執行順序：
1.父類靜態變量和靜態代碼塊（按代碼順序執行）
2.子類靜態變量和靜態代碼塊（按代碼順序執行）
3.父類實例變量和構造代碼塊
4.父類構造函數
5.子類實例變量和構造代碼塊
6.子類構造函數

2.2.2類加載器

在上述類加載過程中，第一個階段"加載"涉及到JVM中一個非常重要的模塊——類加載器。類加載器主要負責根據類的全限定名找到對應的.class文件
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什么是全限定名？
全限定名指的是包含**包名**在內的**類**的完整名稱。例如，假設有一個ArrayList類，屬于java.util包，那么它的全限定名就是java.util.ArrayList
類加載器的搜索范圍：不同的類加載器負責不同路徑的類加載。在JVM中，不算自定義的類加載器，默認的類加載器有三種：

(1) 啟動/引導類加載器（Bootstrap ClassLoader）：加載 `JAVA_HOME/lib` 下的核心類庫
（如 `rt.jar`）

注：這里的JAVA_HOME一般指的是JDK的安裝路徑，如下圖

rt.jar(以JDK8為例)：包含Java標準庫，如java.lang，java.util等，至于標準庫有哪些在Java語言規范中有明確規定，這里不過多贅述。這些標準庫中的類由啟動/引導類加載器負責加載。

(2) 擴展類加載器（Extension ClassLoader）：加載 `JAVA_HOME/lib/ext` 下的擴展類

Java語言規范中沒有的類，并且是由JVM開發者添加的類，稱為擴展類，這些類由擴展類加載器負責加載。JVM的版本有很多，所以擴展類有哪些和JVM的具體版本有關

(3) 應用類加載器（Application ClassLoader）：加載用戶類路徑（ClassPath）下的類

一般包括開發者編寫的類和第三方依賴庫

2.2.3 雙親委派機制(不考慮自定義類加載器)

核心思想：當類加載器收到類加載請求時，不會自行立即加載，而是先將該加載請求委派給父類加載器，最終請求會到達頂層類加載器。

完整過程：

(1)頂層加載器（啟動類加載器，Bootstrap ClassLoader）檢查JAVA_HOME/lib路徑下的核心類庫，如果能找到就加載
(2)如果啟動類加載器找不到，請求返回給擴展類加載器，檢查JAVA_HOME/lib/ext路徑下的擴展類，如果能找到就加載
(3)如果擴展類加載器找不到，請求返回給應用類加載器，檢查用戶類路徑下的類
(4)如果所有類加載器均無法加載請求類，則拋出ClassNotFoundException

雙親委派機制的優勢：

1. 避免核心類被篡改
安全性：通過優先由啟動類加載器加載核心類（如 java.lang.String），確保用戶無法定義同名類覆蓋核心類
示例：若用戶自定義 java.lang.String，JVM 會直接加載核心庫中的版本，用戶類被忽略
2.防止重復加載
唯一性：每個類由父類優先加載，確保同一個類在多個類加載器中只加載一次
示例：若父類已加載 com.example.MyClass，子類不會再重復加載，避免內存浪費和類沖突
3.天然的類隔離性
隔離性：不同類加載器加載的類屬于不同的命名空間，天然隔離。
4.靈活擴展
可定制性：允許子類加載器擴展加載范圍（如從網絡、數據庫加載類），同時不破壞核心類的穩定性