JVM内存结构

Posted 2022-05-03 WCK的博客

一 JVM简介

​ JVM（Java Virtual Machine）全称：Java 虚拟机。

二. JVM规范与具体实现

​ 在Java的官方文档中会发现，每个版本官方都提供了两个版本的文档地址。

​ 官方文档地址：https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html

三. 深入理解类加载机制/类的生命周期（面试题）

1. 为什么要深入理解类加载机制

​ 我们编写Java代码文件都是.java文件，如果只知道: 源文件 -> 编译 -> .class -> 运行 -> 结果

​ 但是只知道这最“浅显”加载流程肯定是不够的，不仅仅是因为这是一个常见面试题，更是一个Java程序员必备功底。

​ 对于一个只写业务的程序员来说，类加载机制即使不清楚也没有太大影响，但是如果以后想要写框架就必须要深入理解类加载机制。

2. 图解及说明

2.1 类的生命周期

1. 加载（Loading）
   1. 启动类加载器（Bootstrap Class Loader）是优先级最高的加载器，最先进行加载。负责加载JDK目录/jre/lib 中相关jar包。包含了所有核心类，例如：String、System等
      
   2. 扩展类加载器（Extension Class Loader）：负责加载扩展类。具体就是JDK目录/jre/lib/ext
      

​ 3. 应用程序加载器（Application Class Loader）负责加载类路径中字节码文件。也就是平时我们所说的classpath中内容

3. 链接（Linking）

   1. 校验（verify）：校验加载的字节码文件是否正确。

   2. 准备（prepare）：所有静态变量初始化并赋予默认值。

   3. 解析(resolve) : 把符号引用转换为直接引用。

4. 初始化（Initialization）：执行静态代码块和静态变量赋值。

5. 运行。运行字节码文件进行执行。

6. 卸载。运行结束后进行卸载。

四. 类加载器源码分析

1. Launcher类介绍

​ sun.misc.Launcher 是JVM的入口类。

​ 全局属性如下：
​ 比较重要的就是启动类加载器加载的路径和ClassLoader类对象。

2. ClassLoader介绍

2.1 parent属性说明

​ ClassLoader是Java中提供的类加载器父类。所有的类加载器都是这个类的子类或子孙类。

​ 提供了全局属性parent，这意味着类加载器之间具有逻辑父子关系（不是继承关系）

2.2 native关键字介绍

​ 在Java中除了abstract修饰的方法没有方法体，还有一种没有方法体的方法，就是使用native关键字修饰的方法。

​ 当方法使用native修饰时表示方法的具体实现是通过其他语言进行实现的。Java语言在操作内存或硬件方面多使用C/C++进行实现，这些方法需要通过native进行修饰

3. 加载器的父子关系

3.1 获取类加载器

​ 可以通过：类名.class.getClassLoader()进行查看类是由哪种加载器进行加载。getClassLoader()返回值为ClassLoader类对象。
​ 其中：类.class 表示获取字节码文件对象。类.class.getClassLoader()表示由哪个加载器对象加载这个字节码文件。

​ ExtClassLoader和AppClassLoader都是Launcher的内部类（定义在类中的类），分别表示扩展类加载器和应用程序加载器。

3.2 获取父加载器

​ ClassLoader中包含getParent()方法，表示获取当前加载器的父加载器。

3.3 为什么ExtClassLoader的父加载器是null

​ 类加载的父子关系正常应该是下面的父子关系

​ 为什么当获取ExtClassLoader的父加载器时为null呢？

​ 在Launcher中并没有BootstrapClassLoader类。因为Java中并没有提供BootstrapClassLoader类，而是通过C/C++语言编写的。既然Java中没有这个类所以我们在获取ExtClassLoader的父加载器时自然为null。

​ 但是这三个加载器依然是具有逻辑父子关系的（再次强调：不是继承）

3.4 如何查看BootstrapClassLoader加载路径

​ 既然没有BootstrapClassLoader，那是否能验证BootstrapClassLoader到底负责加载的路径是什么呢？

4. 全盘负责委托机制（面试题）

​ 这是类加载的一种机制。即：当一个ClassLoader加载一个类时，除非明确指定，否则这个类所依赖和引用的类也由这个ClassLoader进行加载。

5. 双亲委派机制（面试题）

​ 双亲委派机制在代码中体现可以通过java.lang.ClassLoader中的loadClass()方法进行查看。

​ 断点查看可以总结出来下面流程，需要注意的是：

​ 1. 委派的过程就是一层一层向上找的过程。只要当前加载器加载过，就不会重新加载。如果没有加载过，会向上寻找是否加载过。

​ 2. 当加载到Bootstrap ClassLoader后会一层一层的向下判断是否可以进行加载，如果能加载则加载。如果不能加载向下一层寻找下个加载器是否能加载。如果到最后一层都无法加载则报ClassNotFoundException

​ 好处：避免重复加载（加载一次就不加载）和避免核心类的串改（优先Bootstrap classloader）

五. JVM内存结构

1. JVM内存结构图

2. 源文件

​ 源文件就是我们编写Java代码的文件。文件扩展名为.java

3. 字节码文件

​ 字节码文件是源文件编译后的文件。字节码文件是二进制文件，需要通过特定的工具才能查看。里面存放了源文件编译后的字节码指令。

4. 类加载器 Class Loader

​ Java 程序运行时会由类加载器负责把.class的字节码文件装在到内存中，供虚拟机执行。

4.1 加载 Loading

1. 启动类加载器 BootStrap Class Loader

   负责从启动类中加载类。具有最高执行优先级。即：rt.jar等。

2. 扩展类加载器 Extension Class Loader

   负责加载扩展相关类。即：jre/lib/ext 目录

3. 应用程序加载器 Application Class Loader

   加载应用程序类路径(classpath)中相关类

4.2 链接 Linking

1. 校验 Verify

​ 校验器会校验字节码文件是否正确。

2. 准备 Prepare

​ 所有静态变量初始化并赋予默认值

3. 解析 Resolve

​ 符号引用被换成直接引用。

4.3 初始化 Initialization

​ 所有静态变量赋予初值，静态代码块执行。

5. 执行引擎

​ 运行时数据区的字节码会交给执行引擎执行

5.1 解释器 Interpreter

​ 解释器负责解释字节码文件。每次方法调用都会被重新解释。

5.2 JIT编译器

​ JIT 即时编译器。对于多次被使用的方法会放入到本地内存中，下次就可以直接调用了。

5.3 探测器

​ 负责探测多次被调用的代码。

5.4 垃圾回收器 GC

​ 负责回收不再被使用的对象。GC是JVM中非常重要的一块，在后面我们会单独讲解GC。

6. 本地库接口

​ 在Java代码中使用native修饰的方法表示方法具体实现使用其他编程语言实现的。例如：C语言。通过本地库接口为Java程序提供调用其他语言的实现方案。

7. 本地方法库

​ 所有的本地方法，通过本地库接口调用。

8. 程序计数器

​ 程序计数器简称：PC Register

​ 程序计数器是一块较小的内存空间。记录了当前线程执行到的字节码行号。每个线程都有自己的程序计数器，相互不影响。如果是native方法，计数器为空。

9. 虚拟机栈

​ 虚拟机栈跟随线程创建而创建，所以每个线程都有一个虚拟机栈。

​ 虚拟机栈中存储的是栈帧（frames），每个栈帧对应一个方法，每个栈帧都有自己的局部变量表、操作数栈、动态链接和返回地址等。当前正在执行的方法称为当前方法，当前方法所在的帧称为当前帧。方法执行时帧就是一个入栈操作，方法执行完成之后栈帧就是一个出站操作。

9.1 局部变量表

​ 局部变量表存储的8大基本数据类型和返回值以及方法参数及对象的引用。 其中long和double占用2倍长度。

​ 局部变量表就是一个数组，数组的长度在编译器确定。通过从0开始的索引调用局部变量表的内容。

​ 对于类方法，从索引0开始连续N个作为方法传递。对于实例方法索引0存储的都是实例化方法的实例对象的引用。

9.2 操作数栈

​ 操作数栈存在于栈帧中，其大小在编译期确定。

​ 操作数栈中存储了class文件中虚拟机指令以及准备要传递的参数和接收对方的返回结果。

​ 运行时常量池中数据以及局部变量表中得值都可以由操作数栈进行获取。

9.3 动态链接

​ 方法·把符号转换为直接引用分为两种情况。

​ 在JVM加载或第一次使用转换时称为静态链接或静态解析。而在运行期间把符号转换为直接引用时就称为动态链接。

9.4 方法返回地址

​ 方法返回地址分为两种情况：

​ 1. 正常结束执行。例如碰见return关键字。调用程序计数器的值后当前栈帧直接出栈就可以了。

​ 2. 异常结束。可能需要恢复上层方法的局部变量表和操作数栈，然后把返回值压如到栈帧的操作数栈中，之后调用程序计数器的值后获取到下条指令。

10. 堆

​ 堆是所有线程共享的，存储类的实例和数组。

​ 堆是在虚拟机启动时创建的，由GC负责回收。

​ 堆可以是一块不连续的内存空间。

​ 在Java 8 中，String是存在于堆中的。

​ 堆被分为二大部分：

​ 在Java 7时分为：新生代（Young Generation）、老年代（Old Generation）。在HotSpot中使用永久代来实现方法区的规范。且新生代、老年代和永久代是连续的。

​ 新生代又被分为Eden区、From Survivor区、To Survivor区。官方说明默认分配比例为8：1：1。但是使用jmap工具进行测试时发现比例为6：1：1。

​ 在Java 8时把永久代替换为元空间（MetaSpace），也就是说在Java8中使用元空间来实现方法区。且在Java8中把元空间移植到本地内存上（Native Memory），其实在Java 7 时，部分数据已经移植到本地内存上了。例如：符号引用(Symbols)

11. 方法区

​ 方法区是线程共享的。

​ 在虚拟机启动时自动创建方法区，方法区可以是一块不连续的内存空间。
​ 方法区可以理解为编译代码存储区。在方法区中存储每个类的结构、运行时常量池、字段、方法、构造方法。

​ 在JVM规范上方法区是一个独立的区域，但是在Java SE7 的HotSpot 上方法区使用永久代作为实现，永久代和堆是一块连续空间。在Java SE8的JVM规范实现上，HotSpot使用元空间实现方法区。