java虚拟机运行机制

转自java虚拟机运行机制

首先简单阐述下解释型语言和编译型语言的联系与区别。

编译型语言是通过编译器将程序编译成目标机器所能识别的机器码，而解释型语言不需要编译过程。由该语言的解释器读取脚本，按照语法规则进行解释，然后调用解释器内建的命令(或者库函数)。例如，C语言的printf()函数经过静态编译后，printf()所需的所以代码都以机器码的形式写入可执行文件中，shell在执行程序时，在指定路径搜索该文件，然后加载器(Loader)加载该程序的ELF文件到内存中，跳转到程序入口，将控制权交由该程序。动态编译的情况有些不同。由于printf()是很常用的函数，系统将常用函数集中起来做成库，当我写一个Myprintf()函数时调用printf()
时，动态编译后形成的ELF文件不会包含printf()相关的代码，但是会有些信息告诉系统：“我的程序将会调用printf(),因此我需要printf()的地址”。加载ELF文件后，首先运行动态连接器(ldd)，ldd知道程序依赖的动态库，系统中如果没有加载该动态库，就会通知系统加载该库，并把库函数的入口地址绑定到程序需要的地方，然后跳转到程序入口地址，开始运行程序。这里，我们所写的程序一经编译，就变成特定机器的机器码和一些附属信息(符号表，地址，变量值等)，然后通过系统加载运行机制就变成“动态程序”——进程。

解释型语言的执行过程离不开解释器，python，perl，ruby等等。所以脚本的第一行一般是#/usr/bin/×××。×××代表了各语言相应的解释器。脚本一般由表达式(expression)和Block
of expressions组成，解释器首先要做的就是分析并理解表达式结构，形成“执行序列”。这个“执行序列”是中立的，不针对任何native machine(呵呵，我起的名字，相对于viutural machine。)，所以“可移植性”高。这里不用“字节码”代替“执行序列”是考虑到在jvm中有字节码的概念，他们之间有显著的不同。决定执行序列是解释器最主要的作用。假设，python输出的函数为python_print()，那么python解释器在“解释”脚本时遇到这个表达式就将调用系统的print()函数执行输出操作。你也可以把脚本理解成高级配置文件，这个文件指导python解释器如何运行，解释器内部已经制订了“如何”运行的若干规则。

JVM执行java程序要比上述两个复杂，因为它已经被称作machine了。下图是JVM的结构框图。主要包含：垃圾回收器，类加载子系统，执行引擎，运行时数据区等。

如果能较详细的理解这幅图，那么JVM的运行机制就大体过关了。下面试着分析上述各模块的功能和它们之间的相互联系。

类加载过程

java程序经过编译后形成*.class文件，内含JVM的字节码。通过类加载器将字节码(*.class)加载入JVM的内存中。类加载过程主要涉及JVM的方法区。方法区存储了类的类型信息，如运行时常量池（Runtime
Constant Pool）、字段和方法数据、构造函数和普通方法的字节码内容、还包括一些在类、实例、接口初始化时用到的特殊方法。这些都可以看作静态信息，每次方法被调用，在java栈中保持该方法的临时变量，当方法返回时，java栈自动撤消。JVM将类加载过程分成加载，连接，初始化三个阶段，其中连接阶段又细分为验证，准备，解析三个阶段。

1、Java程序开始运行前，类加载器加载类名.class，将类信息保存在运行时数据区的方法区。方法区是线程共享的，里面存储的信息有一个共同的特定就是整个程序中是唯一的。所以有关class的版本号，常量池，方法的字节码等。而类的非静态域则是对象相关的，存储在堆区，其引用(类似指针)存放在栈区。下面的例子，编译后产生AppMain.class，JVM加载AppMain.class后，将字节码解析成运行时数据结构。类的静态变量和方法存放在方法区。JVM主线程执行main()函数，new一个Sample的对象。

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1. AppMain.java
2. public class AppMain //运行时, jvm 把appmain的信息都放入方法区
3. {
4. public static void main(String[] args)  //main 方法本身放入方法区。
5. {
6. Sample test1 = new  Sample( " 测试1 " );  //test1是引用，所以放到栈区里， Sample是自定义对象应该放到堆里面
7. Sample test2 = new  Sample( " 测试2 " );
8. test1.printName();
9. test2.printName();
10. }
11. }

这时就会到方法区寻找Sample的类型信息，发现还没有加载，就会加载Sample.class。在堆中分配内存并建立一个Sample对象，它的引用是test1。堆中的对象持有class的引用，即指向方法区中类的类型信息的地址。test1是main()函数的私有变量所以保持在主线程栈上，它执行堆中的Sample对象。

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1. Sample.java
2. public class Sample     //运行时, jvm 把appmain的信息都放入方法区
3. {
4. private name;      //new Sample实例后，name引用放入栈区里，name对象放入堆里
5. public Sample(String name)
6. {
7. this .name = name;
8. }
9. public void printName()   //print方法本身放入方法区里。
10. {
11. System.out.println(name);
12. }
13. }

下图是运行时的示意图

连接过程

2、连接过程主要是在加载之后、初始化之前的一些准备工作。他们有很多交叉的地方。连接时需要验证字节码是否符合java规范，数据类型是否有效，继承和实现是否合乎标准。在这个阶段还为类的静态变量分配空间，并将其设置成JVM的默认值。对于非静态变量则不会赋值。

在jvm中各类型的初始值如下：

• int,byte,char,long,float,double 默认初始值为0
• boolean 为false（在jvm内部用int表示boolean，因此初始值为0）
• reference类型为null
• final static基本类型或者String类型，则直接采用常量值（这实际上是在编译阶段就已经处理好了）

这一阶段还需要出发解析过程。JVM对于每个加载的类都会有在内部创建一个运行时常量池（参考上面图示），在解析之前是以字符串的方式将符号引用保存在运行时常量池中，在程序运行过程中当需要使用某个符号引用时，就会促发解析的过程，解析过程就是通过符号引用查找对应的类实体，然后用直接引用替换符号引用。由于符号引用已经被替换成直接引用，因此后面再次访问时，无需再次解析，直接返回直接引用。

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