JVM及原理

Posted 2021-04-17 架构师日刊

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好了，接下来开始今天的技术分享！上次老师跟大家分享了SQL语句学习总结的知识，今天跟大家分享下JVM及原理的知识。

1 JVM主要子系统

JVM被分为三个主要的子系统：类加载器子系统、运行时数据区和执行引擎 。

1. 类加载器子系统

Java的动态类加载功能是由类加载器子系统处理。当它在运行时（不是编译时）首次引用一个类时，它加载、链接并初始化该类文件。

1.1 加载

类由此组件加载。启动类加载器 (BootStrap class Loader)、扩展类加载器(Extension class Loader)和应用程序类加载器(Application class Loader) 这三种类加载器帮助完成类的加载。

1.  启动类加载器 – 负责从启动类路径中加载类，无非就是rt.jar。这个加载器会被赋予最高优先级。

2.  扩展类加载器 – 负责加载ext 目录(jrelib)内的类.

3.  应用程序类加载器 – 负责加载应用程序级别类路径，涉及到路径的环境变量等etc.

上述的类加载器会遵循委托层次算法（Delegation Hierarchy Algorithm）加载类文件。

1.2 链接

1.  校验 – 字节码校验器会校验生成的字节码是否正确，如果校验失败，我们会得到校验错误。

2.  准备 – 分配内存并初始化默认值给所有的静态变量。

3.  解析 – 所有符号内存引用被方法区(Method Area)的原始引用所替代。

1.3 初始化

这是类加载的最后阶段，这里所有的静态变量会被赋初始值, 并且静态块将被执行。

2. 运行时数据区（Runtime Data Area）

The 运行时数据区域被划分为5个主要组件：

2.1 方法区（Method Area）

所有类级别数据将被存储在这里，包括静态变量。每个JVM只有一个方法区，它是一个共享的资源。

2.2 堆区（Heap Area）

所有的对象和它们相应的实例变量以及数组将被存储在这里。每个JVM同样只有一个堆区。由于方法区和堆区的内存由多个线程共享，所以存储的数据不是线程安全的。

2.3 栈区（Stack Area）

对每个线程会单独创建一个运行时栈。对每个函数呼叫会在栈内存生成一个栈帧(Stack Frame)。所有的局部变量将在栈内存中创建。栈区是线程安全的，因为它不是一个共享资源。栈帧被分为三个子实体：

a 局部变量数组 – 包含多少个与方法相关的局部变量并且相应的值将被存储在这里。

b 操作数栈 – 如果需要执行任何中间操作，操作数栈作为运行时工作区去执行指令。

c 帧数据 – 方法的所有符号都保存在这里。在任意异常的情况下，catch块的信息将会被保存在帧数据里面。

如上是JVM三大核心区域

2.4 PC寄存器

2.5 本地方法栈

本地方法栈保存本地方法信息。对每一个线程，将创建一个单独的本地方法栈。

3. 执行引擎

分配给运行时数据区的字节码将由执行引擎执行。执行引擎读取字节码并逐段执行。

3.1  解释器:

 解释器能快速的解释字节码，但执行却很慢。解释器的缺点就是,当一个方法被调用多次，每次都需要重新解释。

3.2 编译器

JIT编译器消除了解释器的缺点。执行引擎利用解释器转换字节码，但如果是重复的代码则使用JIT编译器将全部字节码编译成本机代码。本机代码将直接用于重复的方法调用，这提高了系统的性能。

a. 中间代码生成器 – 生成中间代码

b. 代码优化器 – 负责优化上面生成的中间代码

c. 目标代码生成器 – 负责生成机器代码或本机代码

d.  探测器(Profiler) – 一个特殊的组件，负责寻找被多次调用的方法。

3.3  垃圾回收器:

收集并删除未引用的对象。可以通过调用"System.gc()"来触发垃圾回收，但并不保证会确实进行垃圾回收。JVM的垃圾回收只收集哪些由new关键字创建的对象。所以，如果不是用new创建的对象，你可以使用finalize函数来执行清理。

Java本地接口 (JNI): JNI 会与本地方法库进行交互并提供执行引擎所需的本地库。

本地方法库:它是一个执行引擎所需的本地库的集合。

2 JVM代码实例

package com.spark.jvm;/** * 从JVM调用的角度分析java程序堆内存空间的使用： * 当JVM进程启动的时候，会从类加载路径中找到包含main方法的入口类HelloJVM * 找到HelloJVM会直接读取该文件中的二进制数据，并且把该类的信息放到运行时的Method内存区域中。 * 然后会定位到HelloJVM中的main方法的字节码中，并开始执行Main方法中的指令 * 此时会创建Student实例对象，并且使用student来引用该对象（或者说给该对象命名），其内幕如下： * 第一步：JVM会直接到Method区域中去查找Student类的信息，此时发现没有Student类，就通过类加载器加载该Student类文件； * 第二步：在JVM的Method区域中加载并找到了Student类之后会在Heap区域中为Student实例对象分配内存， * 并且在Student的实例对象中持有指向方法区域中的Student类的引用（内存地址）； * 第三步：JVM实例化完成后会在当前线程中为Stack中的reference建立实际的应用关系，此时会赋值给student * 接下来就是调用方法 * 在JVM中方法的调用一定是属于线程的行为，也就是说方法调用本身会发生在线程的方法调用栈： * 线程的方法调用栈（Method Stack Frames），每一个方法的调用就是方法调用栈中的一个Frame， * 该Frame包含了方法的参数，局部变量，临时数据等 student.sayHello(); */public class HelloJVM { //在JVM运行的时候会通过反射的方式到Method区域找到入口方法main public static void main(String[] args) {//main方法也是放在Method方法区域中的 /** * student(小写的)是放在主线程中的Stack区域中的 * Student对象实例是放在所有线程共享的Heap区域中的 */ Student student = new Student("spark"); /** * 首先会通过student指针（或句柄）（指针就直接指向堆中的对象，句柄表明有一个中间的,student指向句柄，句柄指向对象） * 找Student对象，当找到该对象后会通过对象内部指向方法区域中的指针来调用具体的方法去执行任务 */ student.sayHello(); }} class Student { // name本身作为成员是放在stack区域的但是name指向的String对象是放在Heap中 private String name; public Student(String name) { this.name = name; } //sayHello这个方法是放在方法区中的 public void sayHello() { System.out.println("Hello, this is " + this.name); }}

3 JVM如何实现？

我们都知道java一直宣传的口号是：一次编译，到处运行。那么它如何实现的呢？我们看下图：

java程序经过一次编译之后，将java代码编译为字节码也就是class文件，然后在不同的操作系统上依靠不同的java虚拟机进行解释，最后再转换为不同平台的机器码，最终得到执行。这样我们是不是可以推演，如果要在mac系统上运行，是不是只需要安装mac java虚拟机就行了。那么了解了这个基本原理后，我们尝试去做更深的研究，一个普通的java程序它的执行流程到底是怎样的呢？例如我们写了一段这样的代码：

public class HelloWorld { public static void main(String[] args) { System.out.print("Hello world"); } }

这段程序从编译到运行，最终打印出“Hello world”中间经过了哪些步骤呢？我们直接上图：

java代码通过编译之后生成字节码文件（class文件），通过：java HelloWorld执行，此时java根据系统版本找到jvm.cfg，各位可以搜索一下自己电脑上的jvm.cfg文件在哪，它会根据你的系统版本放在不同的位置，比如我的这个文件就在：C:Program FilesJavajdk1.8.0_101jrelibamd64jvm.cfg，打开看一下：

这是我电脑上的文件，其中-server KNOWN就表示名称为server的jvm可用。如果这时你搜索一下你电脑上jvm.dll，你就会发现它一定在你的某个server目录下，比如我的：C:Program FilesJavajdk1.8.0_101jreinserverjvm.dll。简而言之就是通过jvm.cfg文件找到对应的jvm.dll，jvm.dll则是java虚拟机的主要实现。接下来会初始化JVM,并且获取JNI接口，什么是JNI接口，就是java本地接口，你想啊java被编译成了class文件，JVM怎么从硬盘上找到这个文件并装载到JVM里呢，就是通过JNI接口（它还常用于java与操作系统、硬件交互），找到class文件后并装载进JVM，然后找到main方法，最后执行。

4 JVM基本结构

可能通过上面的描述，大家对JVM运行流程有了一个粗略的认识，那么JVM内部到底是怎么执行一个class文件的呢，也就是上图中最后一步第6步的内部细节是怎样的呢？要了解这个问题，我们首先得看一下JVM的内部结构：

从这个结构不难看出，class文件被jvm装载以后，经过jvm的内存空间调配，最终是由执行引擎完成class文件的执行。当然这个过程还有其他角色模块的协助，这些模块协同配合才能让一个java程序成功的运行，下面就详细介绍这些模板，它们也是后面学习jvm最重要的部分。

5 内存空间

JVM内存空间包含：方法区、java堆、java栈、本地方法栈。

方法区是各个线程共享的区域，存放类信息、常量、静态变量。

java堆也是线程共享的区域，我们的类的实例就放在这个区域，可以想象你的一个系统会产生很多实例，因此java堆的空间也是最大的。如果java堆空间不足了，程序会抛出OutOfMemoryError异常。

java栈是每个线程私有的区域，它的生命周期与线程相同，一个线程对应一个java栈，每执行一个方法就会往栈中压入一个元素，这个元素叫“栈帧”，而栈帧中包括了方法中的局部变量、用于存放中间状态值的操作栈，这里面有很多细节，我们以后再讲。如果java栈空间不足了，程序会抛出StackOverflowError异常，想一想什么情况下会容易产生这个错误，对，递归，递归如果深度很深，就会执行大量的方法，方法越多java栈的占用空间越大。

每个帧代表一个方法，Java方法有两种返回方式，return和抛出异常，两种方式都会导致该方法对应的帧出栈和释放内存。

6  栈运行原理

栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在，栈帧是一个内存区块，是一个数据集，是一个有关方法和运行期数据的数据集，当一个方法A被调用时就产生了一个栈帧F1，并被压入到栈中，A方法又调用了B方法，于是产生栈帧F2也被压入栈，B方法又调用了C方法，于是产生栈帧F3也被压入栈…… 依次执行完毕后，先弹出后进......F3栈帧，再弹出F2栈帧，再弹出F1栈帧。

遵循“先进后出”/“后进先出”原则。

帧的组成：局部变量区（包括方法参数和局部变量，对于instance方法，还要首先保存this类型，其中方法参数按照声明顺序严格放置，局部变量可以任意放置），操作数栈，帧数据区（用来帮助支持常量池的解析，正常方法返回和异常处理）。

本地方法栈角色和java栈类似，只不过它是用来表示执行本地方法的，本地方法栈存放的方法调用本地方法接口，最终调用本地方法库，实现与操作系统、硬件交互的目的。

PC寄存器，说到这里我们的类已经加载了，实例对象、方法、静态变量都去了自己改去的地方，那么问题来了，程序该怎么执行，哪个方法先执行，哪个方法后执行，这些指令执行的顺序就是PC寄存器在管，它的作用就是控制程序指令的执行顺序。

执行引擎当然就是根据PC寄存器调配的指令顺序，依次执行程序指令。

静态变量+常量+类信息+运行时常量池存在方法区中，实例变量存在堆内存中。

 基本类型的变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分配。

7  JVM原理

JVM是java的核心和基础，在java编译器和os平台之间的虚拟处理器。它是一种利用软件方法实现的抽象的计算机基于下层的操作系统和硬件平台，可以在上面执行java的字节码程序。

java编译器只要面向JVM，生成JVM能理解的代码或字节码文件。Java源文件经编译成字节码程序，通过JVM将每一条指令翻译成不同平台机器码，通过特定平台运行。

8  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

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。

（4） 所有新创建的Object 都将会存储在新生代Yong 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。

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。

9 JVM垃圾回收

GC (Garbage Collection)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

10 垃圾收集器

垃圾收集算法是方法论，垃圾收集器是具体实现。JVM规范对于垃圾收集器的应该如何实现没有任何规定，因此不同的厂商、不同版本的虚拟机所提供的垃圾收集器差别较大，这里只看HotSpot虚拟机。

JDK7/8后，HotSpot虚拟机所有收集器及组合（连线）如下：

今天就分享这么多，关于JVM及原理，你学会了多少？欢迎在留言区评论，对于有价值的留言，我们都会一一回复的。如果觉得文章对你有一丢丢帮助，请点右下角【在看】，让更多人看到该文章。