JVM 学习笔记 II

JVM是编译后的Java程序（.class文件）和硬件系统之间的接口。

JVM架构如下：

由上图可见，JVM的输入时.class文件。大致分为三部分：

1. 类加载器 Classloader Subsystem
2. 运行时数据区 Runtime Data Area
3. 执行引擎 Execution Engine

除此之外，还有本地方法接口、本地方法库，也就是调用的不同的平台的库函数，体现了跨平台性。

Classloader把.class文件加载到Runtime Data Area中，然后由Execution Engine来执行Java字节码

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Classloader

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类加载器是动态加载的，即在运行时遇到这个类时才进行加载，而不是在编译时进行，这样更加合理。

双亲委派模型（Parent Delegation Model）：

类加载器具有层次结构 ，可以看做父子关系。

• Bootstrap classloader：当运行JVM时就被创建，负责加载核心类库。是所有类加载器的父类，由c/c++实现。
• Extension classloader：加载除了基本Java API之外的一些扩展类
• System classloader：加载应用程序类，也就是用户自定义的类
• User-defined classloader：用户也可以自己开发类加载器

可以看到，类加载器自上到下具有父子关系，最上方是根。

双亲委派模型：

类加载过程遵循该模型规定。除了根累加器外，其余类加载器都应该有自己的父类加载器。每个类加载器都有自己的命名空间。工作过程如下：

1. 当前类加载器首先在自己加载的类缓存中查询，如果已经加载则直接返回。
2. 如果没有，则去上层父类加载器中加载，直到根加载器。
3. 如果所有上层类加载器都没有加载，则由当前类加载器加载，并放入自己的缓存。

需要注意的是，查找只能是由下至上的，父类加载器不能查询下层子类加载器。
可以看见，这种机制提供了安全性和层级性。越基础的类的加载越在靠近根的地方被加载，用户自定义的类在加载时必须不与上层的基础类矛盾才能加载。层次结构也方便了类的划分组织。

从中可以体现Java的一个原则——类是最小逻辑组织单元。一切的底层工作都以类为单位展开。

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Runtime Data Area

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运行时数据区是操作系统分配的内存区域。划分如下：

可以看到，有些部分为线程私有，有的则是类中所有线程共享的。

• 程序计数寄存器（PC register）：线程私有，启动时创建。保存当前执行的JVM指令的地址。可以表明当前程序的下一条指令到哪去取。
• JVM栈（JVM Stack）：线程私有，启动时创建。对栈帧（Stack Frame）push/pop。JVM描述的是Java方法执行的过程：每个方法被执行的时候都会创建一个栈帧，来存储方法中的信息包括局部变量数组（存储包括方法参数的全部局部变量）、操作数栈（每个方法都在操作数栈和局部变量数组之间交换数据，操作数栈之内的操作数不仅可以来自局部变量数组，也可以来自常量池中的引用）、对运行时常量池（见下文）的引用等。每一个方法的调用直到执行完成就对应着一个栈帧在JVM栈中入栈到出栈的过程。
• 本地方法栈（Native method stack）：线程私有，启动时创建。为被调用的非Java实现的本地方法提供栈，即通过JNI（Java Native Interface Java本地接口）调用的c/c++代码，这部分接口在源代码中以native关键字描述。根据语言，创建b的栈。不同
• 方法区（Method Area）：线程共享。保存被JVM加载的类和接口的运行时常量池，成员变量，方法的信息，静态变量等。即类级别的信息。
• 运行时常量池（Runtime constant pool）：线程共享。包含在方法区中。其中包含所有方法、变量的引用，即在内存中的实际地址（JVM栈中的某个栈帧的具体位置）。
• 堆（Heap）：保存实例或者对象，是垃圾回收（GC）的主要目标。所有通过new关键字创建的变量都存储在堆中。

需要注意的是，Java内存模型中是没有寄存器的概念的，它以栈为主体进行内存管理。以索引来代替实际的内存地址。索引根据具体指令可能指向操作数栈或者常量池。

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Execution Engine

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通过类加载器加载，被分配到JVM的运行时数据区的字节码被执行引擎执行。它以指令为单位取Java字节码，类似于CPU。字节码由一个字节的的操作码和附加的操作数组成。

Java字节码还不是JVM能够直接执行的语言。字节码通过以下方式转化：

• 解释器：读一条指令，解释，执行。重复这个过程。不保存解释后的结果。
• 即时（Just-In-Time）编译器：把整段字节码先翻译成机器码，供执行引擎直接执行。执行起来很快因为翻译结果保存在了缓存中，但是编译所花的时间比逐条解释要慢。

JIT编译器采用检查策略：如果一个方法执行频率超过阈值，则被编译成本地机器码。对于那些执行次数很少的代码，由解释器直接解释执行。
不同的JIT采用不同策略

执行引擎中的垃圾收集器（Garbage Collector）单独作为一个模块介绍。

参考文献、博客：

深入理解JVM内幕
JVM 的 工作原理，层次结构 以及 GC工作原理