HotSpot VM运行时

HotSpot VM运行时系统为HotSpot JIT编译器和垃圾收集器提供服务和通用API，同时还为VM提供启动、线程管理、JNI（Java本地接口）等基本功能。HotSpot VM运行时环境担当许多职责，具体如下：

1、命令行选项

　　通过命令行选项来配置HotSpot VM，相当于HotSpot VM的配置文件，主要包括选择哪个JIT编译器、何种垃圾收集器、Java Heap的大小等。命令行选项主要有3类：

1.1、标准选项（Standard Option）

　　标准选项是Java Virtual machine Specification要求所有Java虚拟机都实现的选项，它们在发行版之间保持稳定，但也可能在后续的发行版中被废除。

1.2、非标准选项（Nonstandard Option）

　　非标准选项（以-X为前缀）不保证、也不强制所有JVM实现都必须支持，它可能未经通知就在Java SDK发行版之间发生更改。

1.3、非稳定选项（Developer Option）

　　非稳定选项通常是为了特定需要而对JVM的运行进行校正，并且可能需要有系统配置参数的访问权限。与非标准选项一样，非稳定选项也可能不经通知就在发行版之间发生变动。

2、VM生命周期

　　HotSpot VM运行时系统负责启动和停止HotSpot VM。启动HotSpot VM的组件式启动器。HotSpot VM有若干个启动器。Unix/Linux上最常用的是java，Windows上是java和javaw。也可以通过JNT接口（JNI_CreateJavaVM）启动内嵌的JVM，另外还有一个网络启动器Javaws（Java Web Start）。

　　启动器启动HotSpot VM时会执行一系列操作。步骤概述如下：

　　（1）解析命令行选项

　　（2）设置堆的大小和JIT编译器

　　　　如果命令行没有明确设置堆的大小和JIT编译器，启动器则通过自动优化进行设置。

　　（3）设定环境变量如：LD_LIBRARY_PATH和CLASSPATH

　　（4）如果命令行有-jar选项，启动器则从指定JAR的manifest中查找Main-Class，否则从命令行读取Main-Class

　　（5）使用标准Java本地接口（Java Native Interface，JNI）方法JNI_CreateJavaVM在新创建的线程中创建HotSpot VM

　　（6）一旦创建并初始化号HotSpot VM，就会加载Java Main-Class，启动器也会从Java Main-Class中取得Java main方法的参数

　　（7）HotSpot VM通过JNI方法CallStartVoidMethod调用Java main方法，并将命令行选项传给它

3、VM类加载

　　（1）类加载阶段

　　　　对给定的Java类或者接口，类加载时会依据她的名字找到Java类的二进制字节流，定义Java类，然后创建代表这个类或者接口的java.lang.Class对象。HotSpot VM必须先加载它的所有超类和超接口。如果类的继承层次有错，HotSpot VM则会抛出ClassCircularityError。

　　　　链接的第一步是验证，检查类文件的语义、常量池符号以及类型。第二步是准备，它会创建静态字段，初始化为标准默认值，以及分配方法表。

　　　　如：int的标准默认值为0；public static int value=123，准备阶段将其初始化为0而不是123，value=123的赋值操作在内构造器<clinit>()中。

　　　　　　public static final int value=123，编译时会为value在字段属性表中生成ConstantValue，从而在准备阶段就被初始化成123。

　　　　初始化类，运行类构造器。初始化类需要首先初始化超类（不会初始化超接口）。

　　（2）类加载器委派

　　　　Java SE类加载器的层级查找顺序为启动类加载器、扩展类加载器及系统内加载器。系统类加载器是默认的应用程序类加载器，它加载Java类的main方法并从classpass上加载类。应用程序类加载器可以是Java SE系统自带的类加载器，或者由应用程序开发人员提供。扩展类加载器则由Java SE系统实现，它负责从JRE（Java Runtime Environment）的lib/ext目录下加载类。

　　（3）启动类加载器

　　　　启动类加载器是由HotSpot VM实现的，负责加载BOOTCLASSPATH路径中的类，如包含Java SE类库的rt.jar。

　　（4）类型安全

　　　　Java类或接口的名字为全限定名（包括包名）。Java的类型由全限定名何类加载器唯一确定。

　　（5）HotSpot类元数据

　　　　类加载时，HotSpot VM会在永久代创建类的内部表示instanceKlass或arrayKlass。instanceKlass应用了与之对应的java.lang.Class实例，后者是前者的Java镜像。HotSpot VM内部使用称为klassOop的数据结构访问instanceKlass。后缀“Oop”表示普通对象指针，所以klassOop是应用java.lang.Class的HotSpot内部抽象，它是指向Klass（与Java类对应的内部表示）的普通对象指针。

　　（6）内部的类加载数据

　　　　类加载过程中，HotSpot VM维护了3张散列表。SystemDictionary包含已加载的类，它将建立类名/类加载器（包括初始类加载器和定义类加载器）与klassOop对象之间的映射。muqian有在安全点事才能移除SystemDictionary中的元素。Placeholder-Table包含当前正在加载的类，它用于检查ClassCircularityError，多线程类加载器并行加载类时也会用到它。LoaderConstraintTable用于追踪类型安全检查的约束条件。这些散列表都需要加锁保证访问安全，在HotSpot VM中，这个锁称为SystemDictionary_lock。通常，HotSpot VM借助类加载器对象锁对加载类的过程进行序列化。

4、字节码验证

　　在链接时必须进行字节码验证以保证类型安全。

5、类数据共享

　　类数据共享的首要目的是减少启动时间，同时还可以节省内存空间。

6、解释器

　　HotSpot VM解释器是一种基于模板的解释器。JVM启动时，HotSpot VM运行时系统利用内部TemplateTable中的信息在内存中生成解析器。TemplateTable包含于每个字节码对应的机器代码，每个模板描述一个字节码。

7、异常处理

　　当与Java的语义约束冲突时，Java虚拟机会用异常通知程序。异常处理由HotSpot VM解释器、JIT编译器和其他HotSpot VM组件一起协作实现。异常处理主要有两种情形，同一方法中抛出和捕获异常；由调用方法捕获异常。异常可以由抛出字节码、VM内部调用返回、JNI调用返回或Java调用返回所引发。

8、线程管理

　　HotSpot VM的线程模型中，Java线程（java.lang.Thread实例）被一对一映射为本地操作系统线程。HotSpot VM内部以C++类JavaThread的实例表示java.lang.Thread实例，它包含其他的线程状态追踪信息。当java.lang.Thread启动时，HtoSpot VM创建与之相关联的JavaThread和OSThread对象（代表操作系统线程），最后是本地线程，依据线程关联是的参数，反射调用Thread类构造函数的Java代码，从而创建该对象。终止线程会释放所有已分配的资源，并从已知线程列表中移除JavaThread，然后调用OSThread和JavaThread的析构函数，当它的初始启动方法完成时，最终停止运行。