浅谈JVM虚拟机

JVM是用来执行字节码文件（.class）的虚拟机，运作与操作系统之上。由于可以将jvm看作安装在操作系统上的软件，因此Java编写的程序可以在不同的操作系统上运行，因为编译后的字节码与平台就无关了，只需要在不同的操作系统上安装一个对应版本的 jvm 虚拟机。

JVM大致分为如上图所示的三个部分：

1. 类加载子系统（ClassLoader）；
2. 运行时数据区（包括方法去、堆、JVM栈、程序计数器 和 本地方法栈）；
3. 执行引擎（JIT编译器：对热点数据进行二次编译，将字节码指令变成机器指令，将机器指令存放在方法区缓存；解释器：逐行解释字节码）。

类加载

类加载是把类的 .class 文件中的二进制数据读取到内存，将类的信息放在运行时数据区的方法区中，通过给每个不同类创建一个 java.lang.Class 对象（Class对象封装了类在方法去内的数据结构，保存在堆区），调用其 newInstance() 方法在堆内存中创建对应的实例对象。

类的加载大致包括五个步骤：加载、验证、准备、解析、初始化（中间三项统称链接）。

加载：将.class文件读到内存，并为之创建一个 java.lang.Class对象。类的加载由类加载器完成，类加载器由 jvm 提供。 jvm提供一些系统类加载器，开发者可以用继承ClassLoader的方式自行设计类加载器。

链接：当类被加载之后，系统为之生成一个对应的Class对象，接着将会进入连接阶段，连接阶段负责把类的二进制数据合并到JRE中。类连接又可分为如下3个阶段。

（1）验证：检验类的加载是否有正确的内部结构，并于其他类协调一致。

（2）准备：为类的静态变量分配内存，并设置默认值。

（3）解析：将类的二进制数据中的符号引用替换成直接引用。（概念可参考）

初始化：为类的静态变量赋予正确的初始值。

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双亲委派机制

加入我们自己写了一个 String 类，并放在 java.lang 包下面，这个自定义的 String 类包含 main 方法，那么这个程序能否执行（会不会调用到java里面自带的String类？）

答案是不能运行，还是会首先调用java自带的String类，这是什么原因？

因为JVM预定义了三种类加载器：分别是根类加载器（bootstrap class loader）、扩展类加载器（extension class loader）以及 系统类加载器（system class loader）。

根类加载器：用来加载 Java 的核心类，是用原生代码来实现的，并不继承自 java.lang.ClassLoader（负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++实现，不是ClassLoader子类）。

扩展类加载器：负责加载JRE的扩展目录，lib/ext或者由java.ext.dirs系统属性指定的目录中的JAR包的类。

系统类加载器：被称为系统（应用）类加载器，它负责在JVM启动时加载来自Java命令的-classpath选项、java.class.path系统属性。如果没有特别指定，用户自定义的类加载器都以此类加载器作为父加载器。

可以发现，java自带的String类需要由根类加载器加载，而我们自己写的String类由系统类加载器加载。在加载的时候首先要看根类加载器能否加载，如果能加在则用根类加载器加载。其次，还要看父类加载器能否加载，如果父类都不能加载的情况下，再由自身加载器来加载。

双亲委派机制，其工作原理的是，如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行，如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式，即每个儿子都很懒，每次有活就丢给父亲去干，直到父亲说这件事我也干不了时，儿子自己才想办法去完成。

上面逻辑可能有些模糊，看一下下面的流程就一目了然了：

类加载器加载Class大致要经过如下8个步骤：

1. 检测此Class是否载入过，即在缓冲区中是否有此Class，如果有直接进入第8步，否则进入第2步。
2. 如果没有父类加载器，则要么Parent是根类加载器，要么本身就是根类加载器，则跳到第4步，如果父类加载器存在，则进入第3步。
3. 请求使用父类加载器去载入目标类，如果载入成功则跳至第8步，否则接着执行第5步。
4. 请求使用根类加载器去载入目标类，如果载入成功则跳至第8步，否则跳至第7步。
5. 当前类加载器尝试寻找Class文件，如果找到则执行第6步，如果找不到则执行第7步。
6. 从文件中载入Class，成功后跳至第8步。
7. 抛出ClassNotFountException异常。
8. 返回对应的java.lang.Class对象。

JVM内存结构

JVM内存结构主要包括五个部分：程序计数器、本地方法栈、虚拟机栈、方法区和堆。其中前三者是线程私有的。而方法区、堆属于线程共享的两个数据区，也是JVM优化的关键所在。

程序计数器：一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行字节码的行号指示器，指向下一个将要执行的指令代码，由执行引擎来读取下一条指令。程序计数器是线程私有的，每一个线程都有自己独立的程序计数器。

虚拟机栈：每次执行一个方法，就会在虚拟栈中创建一个栈帧。栈帧用于存储局部变量表（包括八大基本类型，以及对象的引用）、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行结束，就对应着一个栈帧从虚拟机栈中入栈到出栈的过程。虚拟机栈也是线程私有的。

本地方法栈：由于Java最初的设计是基于c/c++的，因此有些底层的方法（如线程的start）需要调用c/c++的方法，此类方法称为native方法。与虚拟机栈类似，调用这类方法的时候就需要用到本地方法栈了。本地方法栈也是线程私有的。

堆：堆是JVM内存中最大的一块区域，new出来的对象实例和数组都需要在堆上分配内存。对空间是线程共享的。垃圾回收GC也是对堆内存的回收优化。Java堆分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）；年轻代又分为伊甸园（Eden）和幸存区（Survivor区）；幸存区又分为From Survivor空间和 To Survivor空间。年轻代存储刚创建出来的对象，如果栈内存中没有引用指向该对象是，就会被垃圾回收。老年代存放的是15次都没被回收的对象实例。

方法区：与 Java 堆一样是被所有线程共享的区间，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。更具体的说，静态变量+常量+类信息（版本、方法、字段等）+运行时常量池存在方法区中。常量池是方法区的一部分。JDK1.8以后，方法去由元空间实现，因此并不在堆内存中。

关于JVM内存更详细的内容，请参考一文读懂JVM内存结构。

Reference：

https://blog.youkuaiyun.com/m0_38075425/article/details/81627349