JVM工作原理介绍

JVM工作原理介绍

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20150603

一、          JVM 的生命周期

1.       JVM实例对应了一个独立运行的java程序它是进程级别

a)     启动。启动一个Java程序时，一个JVM实例就产生了，任何一个拥有public static void main(String[] args)函数的class都可以作为JVM实例运行的起点

b)     运行。main()作为该程序初始线程的起点，任何其他线程均由该线程启动。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自己使用，java程序也可以标明自己创建的线程是守护线程

c)     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

2.       JVM执行引擎实例则对应了属于用户运行程序的线程它是线程级别的

 

二、          JVM 的体系结构

1.       类装载器（ClassLoader）（用来装载.class文件）

2.       执行引擎（执行字节码，或者执行本地方法）

3.       运行时数据区（方法区、堆、java栈、PC寄存器、本地方法栈）

 

三、          JVM 类加载器

JVM 整个类加载过程的步骤：

1.        装载

装载过程负责找到二进制字节码并加载至JVM中，JVM通过类名、类所在的包名通过ClassLoader来完成类的加载，同样，也采用以上三个元素来标识一个被加载了的类：类名+包名+ClassLoader实例ID。

2.        链接

链接过程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、类。

完成校验后，JVM初始化类中的静态变量，并将其值赋为默认值。

最后对类中的所有属性、方法进行验证，以确保其需要调用的属性、方法存在，以及具备应的权限（例如public、private域权限等），会造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等错误信息。

3.        初始化

初始化过程即为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，在四种情况下初始化过程会被触发执行：

调用了new；

反射调用了类中的方法；

子类调用了初始化；

JVM启动过程中指定的初始化类。

 

JVM 类加载顺序：

JVM 两种类装载器包括：启动类装载器和用户自定义类装载器。

启动类装载器是JVM实现的一部分；

用户自定义类装载器则是Java程序的一部分，必须是ClassLoader类的子类。

JVM 装载顺序：

                Jvm启动时，由Bootstrap向User-Defined方向加载类；

                应用进行ClassLoader时，由User-Defined向Bootstrap方向查找并加载类；

1.        Bootstrap ClassLoader

这是JVM的根ClassLoader，它是用C++实现的，JVM启动时初始化此ClassLoader，并由此ClassLoader完成$JAVA_HOME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-DefinedClassLoader是Java开发人员继承ClassLoader抽象类自行实现的ClassLoader，基于自定义的ClassLoader可用于加载非Classpath中的jar以及目录。

 

ClassLoader 抽象类的几个关键方法：

（1）       loadClass

此方法负责加载指定名字的类，ClassLoader的实现方法为先从已经加载的类中寻找，如没有则继续从parent ClassLoader中寻找，如仍然没找到，则从System ClassLoader中寻找，最后再调用findClass方法来寻找，如要改变类的加载顺序，则可覆盖此方法

（2）       findLoadedClass

此方法负责从当前ClassLoader实例对象的缓存中寻找已加载的类，调用的为native的方法。

（3）       findClass

此方法直接抛出ClassNotFoundException，因此需要通过覆盖loadClass或此方法来以自定义的方式加载相应的类。

（4）       findSystemClass

此方法负责从System ClassLoader中寻找类，如未找到，则继续从Bootstrap ClassLoader中寻找，如仍然为找到，则返回null。

（5）       defineClass

此方法负责将二进制的字节码转换为Class对象

（6）       resolveClass

此方法负责完成Class对象的链接，如已链接过，则会直接返回。

 

四、          JVM 执行引擎

在执行方法时JVM 提供了四种指令来执行：

（1）invokestatic：调用类的static方法

（2）invokevirtual：调用对象实例的方法

（3）invokeinterface：将属性定义为接口来进行调用

（4）invokespecial：JVM对于初始化对象（Java构造器的方法为：<init>）以及调用对象实例中的私有方法时。

 

主要的执行技术有:

解释，即时编译，自适应优化、芯片级直接执行

（1）解释属于第一代JVM，

（2）即时编译JIT属于第二代JVM，

（3）自适应优化（目前Sun的HotspotJVM采用这种技术）则吸取第一代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取解释执行的方式，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，则取消编译过的代码，仍对其进行解释执行。

 

五、          JVM 运行时数据区

第一块：PC 寄存器

PC寄存器是用于存储每个线程下一步将执行的JVM指令，如该方法为native的，则PC寄存器中不存储任何信息。

第二块：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栈中存放的为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上的地址

第三块：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。

（1）       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，这也导致了new对象的开销是比较大的

（2）       Sun Hotspot JVM为了提升对象内存分配的效率，对于所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在给线程的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基本是一样高效的，但如果对象过大的话则仍然是直接使用堆空间分配

（3）       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。

第四块：方法区域（Method Area ）

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

（2）方法区域存放了所加载的类的信息（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、isInterface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，在一定的条件下它也会被GC，当方法区域需要使用的内存超过其允许的大小时，会抛出OutOfMemory的错误信息。

第五块：运行时常量池（Runtime Constant Pool ）

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

第六块：本地方法堆栈（Native Method Stacks ）

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

 

六、          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在对对象的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

（1）对新生代的对象的收集称为minor GC；

（2）对旧生代的对象的收集称为Full GC；

（3）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：

（1）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，GC时才会被回收）

（2）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（只有在内存不够用的情况下才会被GC）

（3）弱引用：在GC时一定会被GC回收

（4）虚引用：由于虚引用只是用来得知对象是否被GC