JVM原理分析

1 什么是JVM？

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。由一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域等组成。JVM屏蔽了与操作系统平台相关的信息，使得Java程序只需要生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可在多种平台上不加修改的运行，这也是Java能够“一次编译，到处运行的”原因。

2 JRE、JDK和JVM的关系

JRE（Java Runtime Environment， Java运行环境）是Java平台，所有的程序都要在JRE下才能够运行。包括JVM和Java核心类库和支持文件。

JDK（Java Development Kit，Java开发工具包）是用来编译、调试Java程序的开发工具包。包括Java工具（javac/java/jdb等）和Java基础的类库（java API ）。

JVM（Java Virtual Machine， Java虚拟机）是JRE的一部分。JVM主要工作是解释自己的指令集（即字节码）并映射到本地的CPU指令集和OS的系统调用。Java语言是跨平台运行的，不同的操作系统会有不同的JVM映射规则，使之与操作系统无关，完成跨平台性。

下图表示了JDK、JRE和JVM三者间的关系：

总结：使用JDK（调用JAVA API）开发JAVA程序后，通过JDK中的编译程序（javac）将Java程序编译为Java字节码，在JRE上运行这些字节码，JVM会解析并映射到真实操作系统的CPU指令集和OS的系统调用。

3  JVM原理

 Java 体系结构介绍：

• Class Loader（类加载器）：用于装载.class文件。

• Execution Engine（执行引擎）：用于执行字节码或者本地方法。

• 运行时数据区：方法区、堆、java栈、pc寄存器、本地方法栈。

 JVM生命周期介绍：

Java实例对应一个独立运行的Java程序（进程级别）

1.启动。启动一个Java程序，一个JVM实例就产生。拥有public static void main(String[] args)函数的class可以作为JVM实例运行的起点。

2.运行。main()作为程序初始线程的起点，任何其他线程均可由该线程启动。JVM内部有两种线程：守护线程和非守护线程，main()属于非守护线程，守护线程通常由JVM使用，程序可以指定创建的线程为守护线程。

3.消亡。当程序中的所有非守护线程都终止时，JVM才退出；若安全管理器允许，程序也可以使用Runtime类或者System.exit()来退出。

JVM执行引擎实例则对应了属于用户运行程序线程它是线程级别的。

 Java类加载器：

Java加载类的过程：

1.装载（loading）：负责找到二进制字节码并加载至JVM中，JVM通过类名、类所在的包名、ClassLoader完成类的加载。因此，标识一个被加载了的类：类名 + 包名 + ClassLoader实例ID。

2.链接（linking）：负责对二进制字节码的格式进行校验、初始化装载类中的静态变量以及解析类中调用的接口。

完成校验后，JVM初始化类中的静态变量，并将其赋值为默认值。

最后对比类中的所有属性、方法进行验证，以确保要调用的属性、方法存在，以及具备访问权限（例如private、public等），否则会造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等错误信息。

3.初始化（initializing）：负责执行类中的静态初始化代码、构造器代码以及静态属性的初始化，以下四种情况初始化过程会被触发。

• 调用 new

• 反射调用了类中的方法

• 子类调用了初始化

• JVM启动过程终止定的初始化类

 JVM类加载顺序：

层级结构

1.Booststrap ClassLoader

跟ClassLoader，C++实现，JVM启动时初始化此ClassLoader，并由此完成$JAVA_HONE中jre/lib/rt.jar（Sun JDK的实现）中所有class文件的加载，这个jar中包含了java规范定义的所有接口以及实现。

2.Extension ClassLoader

JVM用此classloader来加载扩展功能的一些jar包

3.System ClassLoader

JVM用此ClassLoader来加载启动参数中指定的ClassPath中的jar包以及目录，在Sun JDK中ClassLoader对应的类名为AppClassLoader。

4.User-Defined ClassLoader

User-Defined ClassLoader是Java开发人员继承ClassLoader抽象类实现的ClassLoader，基于自定义的ClassLoader可用于加载非ClassPath中的jar以及目录。

委派模式（Delegation Mode）

当JVM加载一个类的时候，下层的加载器会将任务给上一层类加载器，上一层加载检查它的命名空间中是否已经加载这个类，如果已经加载，直接使用这个类。如果没有加载，继续往上委托直到顶部。检查之后，按照相反的顺序进行加载。如果Bootstrap加载器不到这个类，则往下委托，直到找到这个类。一个类可以被不同的类加载器加载。

可见性限制：下层的加载器能够看到上层加载器中的类，反之则不行，委派只能从下到上。

不允许卸载类：类加载器可以加载一个类，但不能够卸载一个类。但是类加载器可以被创建或者删除。

 JVM执行引擎

类加载器将字节码载入内存后，执行引擎以java字节码为单元，读取java字节码。java字节码机器读不懂，必须将字节码转化为平台相关的机器码。这个过程就是由执行引擎完成的。

在执行方法时JVM提供了四种指令来执行：

• invokestatic:调用类的static方法。

• invokevirtual:调用对象实例的方法。

• invokeinterface：将属性定义为接口来进行调用。

• invokespecial：JVM对于初始化对象（Java构造器的方法为：）以及调用对象实例的私有方法时。

主要的执行计数：

• 解释，即时执行，自适应优化、芯片级直接执行。

• 解释属于第一代JVM

• 即时编译JIT属于第二代JVM

自适应优化（目前sun的HotspotJVM采用这种技术），吸取第一代JVM和第二代JVM的经验，采用两者结合的方式，开始对所有的代码都采用解释执行的方式，并监视代码执行情况，然后对那些经常调用的方法启动一个后台线程，将其编译为本地代码，并进行优化。若方法不再频繁使用，则取消编译过代码，仍对其进行解释执行。

 Java运行时数据区

PC寄存器

用于存储每个线程下一步将要执行的JVM指令，若该方法为native的，则PC寄存器中不存储任何信息。Java多线程情况下，每个线程都有一个自己的PC，以便完成不同线程上下文环境的切换。

JVM栈

JVM栈是线程私有的，每个线程创建的同时都会创建JVM栈，JVM栈中存放当前线程中局部基本类型的变量（Java中定义的八种基本类型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double）、部分的返回结果以及Stack Frame，非基本类型的对象在JVM栈上仅存放一个指向堆的地址。

堆（Heap）

它是JVM用来存储对象实例以及数组值的区域，可以认为Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配，Heap中的对象的内存需要等待GC进行回收。

堆在JVM启动的时候就被创建，堆中储存了各种对象，这些对象被自动管理内存系统（Automatic Storage Management System），也就是常说的“Garbage Collector（垃圾回收器）”管理。这些对象无需、也无法显示地被销毁。

JVM将Heap分为两块：新生代New Generation和旧生代Old Generation

堆是JVM中所有线程共享的，因此在其上进行对象内存的分配均需要进行加锁，导致new对象的开销比较大。

Sun Hotspot JVM为了提升对象内存分配的效率，对于所有创建的线程都会分配一块独立的空间TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根据运行的情况计算而得，在TLAB上分配对象时不需要加锁，因此JVM在给线程对象分配内存时会尽量的在TLAB上分配，在这种情况下JVM中分配对象内存的性能和C基本是一样的，但如果对象过大的话则仍然要直接使用堆空间分配。

TLAB仅作用于新生代的Eden Space，因此在编写Java程序时，通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效。

所有新创建的Object都将会存储在新生代Young Generation中。如果Young Generation的数据在一次或多次GC后存活下来，那么将被转移到OldGeneration。新的Object总是创建在Eden Space。

方法区域（Method Area）

在Sun JDK中这块区域对应的为PermanetGeneration，又称为持久代。

方法区域存放所加载类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态变量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息，当开发人员在程序中通过Class对象中的getName，isInstance等方法来获取信息时，这些数据都来源于方法区域，同时方法区域也是全局共享的，在一定条件下它也会被GC，当方法区域需要使用的内存超过其允许的大小时，就会抛出OutOfMemory的错误信息。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

存放的为类中的固定常量信息、方法和Field的引用信息等，其空间从方法区域中分配。

本地方法堆栈（Native Method Stacks）

JVM采用本地方法堆来支持native方法的执行，此区域用于存储每个native方法调用的状态。

JVM垃圾回收

GC的基本原理：将内存中不再被使用的对象进行回收，GC中用于回收的方法称为收集器，由于GC需要消耗一些资源和时间，Java在对对象生命周期特征进行分析后，按照新生代、旧生代的方式来对对象进行收集，以尽可能的缩短GC对应用造成的暂停。

对新生代的对象收集称为minor GC

对旧生代的对象收集称为Full GC

程序中主动调用System.gc（）强制执行的GC为Full GC。

不同的对象引用类型，GC会采用不同的方法进行回收，JVM对象的引用分为了四种类型：

• 强引用：默认情况下，对象采用的均为强引用（这个对象的实例没有其他对象引用时， GC时才会被回收）

• 软引用：软引用是Java中提供的一种比较适合于缓存场景的应用（只有内存不够的情况下才会被GC）

• 弱引用：在GC时一定会被GC回收。

• 虚引用：虚引用只是用来得知对象是否被GC。