JAVA虚拟机解析--基于JDK1.8

Posted 2021-04-30 晚安豆芽哥

        java虚拟机（java virtual machine,JVM）,一种能够运行java字节码的虚拟机。作为一种编程语言的虚拟机，实际上不只是专用于java语言，只要生成的编译文件匹配JVM对加载编译文件格式要求，任何语言都可以由JVM编译运行。

JVM的基本结构

   JVM由三个主要的子系统构成：

• 类加载子系统

• 运行时数据区（内存结构）

• 执行引擎

  
  

  
  

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类加载机制

类的生命周期

解析：

动态链接：程序运行期间，由符号引用转化为直接引用

类加载器的种类

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

        负责加载JRE核心类库，如JRE目标下的rt.jar, charset.jar等

• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）

        负责加载JRE扩展目录ext中jar类包

• 系统类加载器（Application ClassLoader）
  

        负责加载ClassPath路径下的类包

• 用户自定义加载器（User ClassLoader）
  

        负责用户自定义路径下的类包

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类加载机制：

• 全盘负责委托机制
  

    当一个classlader加载一个类的时候，除非显示的使用另一个classloader，该类所依赖和引用的类也由这个classloader载入。

• 双亲委派机制：
  

    指定先委托父类加载器寻找目标类，在找不到的情况下，在自己的路径中查找并载入目标类

• 双亲委派模式的优势：

• 沙箱安全机制：比如自己写的string类不会被加载，这样可以防止核心库被随意篡改

• 避免类的重复加载：当父classloader已经加载了该类的时候，就不需要子classloader再加载一次。

  
  

举个例子：

比如自定义一个 demo类（双亲委派机制）

编译完后

1. 由application classcloader加载器
   

2. app进行判断它头上是否有加载器（它的父类加载器是ext（同理往上找到boot））（这些jvm来完成判断）

3. boot发现自定义的demo类并不是自己加载范畴，于是往下提交给ext，ext也加载不了，于是往下交给app；

4. 此时app才可以进行加载demo
   

双亲委派机制的好处：

1. 避免重复；2.安全性更好（隔离）
   

比如自定义一个java.lang.String类，此时无法正常加载，因为jvm真正使用的是boot加载器

全盘委派机制

提问：为什么要打破双亲委派机制？（不按照双亲机制去加载）自定义类加载器去执行

答：比如jdbc，tomcat，一些热部署技术都是打破双亲委派机制，一个tomcat容器跑了一个jvm，同个tomcat可以部署多个war包，多个war包里面共用了一个jar，为了做隔离，tomcat就通过自定义类加载器来实现类隔离，避免产生冲突（因为jar包只有一个，全限定名也一致）

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运行时数据区（内存结构）

程序代码解析

public class Demo {
 public int math() { int a = 1; int b = 2; int c = (a + b) * 10; return c; } public static void main(String[] args) { Demo d = new Demo(); d.math(); }
}

对上面的代码进行解析（main线程栈帧解析）

编辑java文件，获得到一段16进制文件$ javac Demo.java

进行反汇编：

javap -c demo.class

用法: javap <options> <classes>其中, 可能的选项包括: -help --help -? 输出此用法消息 -version 版本信息 -v -verbose 输出附加信息 -l 输出行号和本地变量表 -public 仅显示公共类和成员 -protected 显示受保护的/公共类和成员 -package 显示程序包/受保护的/公共类 和成员 (默认) -p -private 显示所有类和成员 -c 对代码进行反汇编 -s 输出内部类型签名 -sysinfo 显示正在处理的类的 系统信息 (路径, 大小, 日期, MD5 散列) -constants 显示最终常量 -classpath <path> 指定查找用户类文件的位置 -cp <path> 指定查找用户类文件的位置 -bootclasspath <path> 覆盖引导类文件的位置

 javap -c Demo.class > demo.txt

打开demo.txt

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-6.html

demo.txt

Compiled from "Demo.java"public class com.test.Demo { public com.test.Demo(); Code: 0: aload_0 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V 4: return
 public int math(); Code: 0: iconst_1 1: istore_1 2: iconst_2 3: istore_2 4: iload_1 5: iload_2 6: iadd 7: bipush 10 9: imul 10: istore_3 11: iload_3 12: ireturn
 public static void main(java.lang.String[]); Code: 0: new #2 // class com/test/Demo 3: dup 4: invokespecial #3 // Method "<init>":()V 7: astore_1 8: aload_1 9: invokevirtual #4 // Method math:()I 12: pop 13: return}

看math方法：（分析两个指令，其他的类似）

iconst_1

将第一个变量放到程序计数器中；

istore_1

从程序计数器中取出数据（栈：先进后出机制），然后放到局部变量表

图示过程：（长度根据变量类型来定义）

（上右图局部变量表不存在顺序（非栈结构））

。。。。（省略）	。。。。（省略）

常量池：-128-127（10就是从方法区中的Integer常量池中获取的，每个线程都可以获取（线程共享））

Code：就是程序计数器记录的位置（确保多线程按照顺序执行）

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javap -v demo.class >demodynamic.txt (获取动态链接的信息，内容更多)

红色为自己标记：

Classfile /E:/workspace/demo01/src/main/java/com/test/demo.class Last modified 2020-3-3; size 374 bytes MD5 checksum 642b4793cbb9e43369b45632d50d2f3d Compiled from "Demo.java"public class com.test.Demo minor version: 0 major version: 52 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPERConstant pool:                  # 编译期间已经确定，在方法区中叫运行时常量池 #1 = Methodref #5.#16 // java/lang/Object."<init>":()V #2 = Class #17 // com/test/Demo #3 = Methodref #2.#16 // com/test/Demo."<init>":()V #4 = Methodref #2.#18 // com/test/Demo.math:()I #5 = Class #19 // java/lang/Object #6 = Utf8 <init> #7 = Utf8 ()V #8 = Utf8 Code #9 = Utf8 LineNumberTable #10 = Utf8 math #11 = Utf8 ()I #12 = Utf8 main #13 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V #14 = Utf8 SourceFile #15 = Utf8 Demo.java #16 = NameAndType #6:#7 // "<init>":()V  #17 = Utf8               com/test/Demo   #全限定名 #18 = NameAndType #10:#11 // math:()I #19 = Utf8 java/lang/Object{ public com.test.Demo(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=1, locals=1, args_size=1 0: aload_0 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V 4: return LineNumberTable: line 7: 0
 public int math(); descriptor: ()I flags: ACC_PUBLIC Code: stack=2, locals=4, args_size=1 0: iconst_1 1: istore_1 2: iconst_2 3: istore_2 4: iload_1 5: iload_2 6: iadd 7: bipush 10 9: imul 10: istore_3 11: iload_3 12: ireturn LineNumberTable: line 10: 0 line 11: 2 line 12: 4 line 13: 11
 public static void main(java.lang.String[]); descriptor: ([Ljava/lang/String;)V flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC Code: stack=2, locals=2, args_size=1 0: new #2 // class com/test/Demo 3: dup 4: invokespecial #3 // Method "<init>":()V 7: astore_1 8: aload_1 9: invokevirtual #4 // Method math:()I 12: pop 13: return LineNumberTable: line 16: 0 line 17: 8 line 18: 13}SourceFile: "Demo.java"

程序运行时，新建一个类的程序运行状态（动态链接：符号引用（字符串）》直接引用）：

• 方法区（Method Area）（jdk1.8以前：永久代/持久代，之后：元空间）

类的所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在这里定义。简单来说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，静态变量+常量+类信息（构造方法/接口定义）+运行时常量池都存在方法区中，虽然java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap(非堆)，目的应该是为了和java的堆区分开（jdk1.8以前hotspot虚拟机叫做永久代，持久代，jdk1.8叫元空间）

• 堆（Heap）

虚拟机启动时，自动分配创建，用于存放对象的实例，几乎所有对象都在对上分配内存，当对象无法在该空间申请到内存是将抛出OutOfMemoryError异常，同时也是垃圾回收（GC）管理的主要区域

1. 新生代（Young Generation）

gc: 

youngGC/MinorGC

CMS OldGC（针对老年代的回收）

majorGC/FullGC（所有的回收，包含元空间）

G1 MixedGC (混合回收)

        类出生，成长，消亡的区域，一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。

新生代分为两部分：eden和survivor space（from+to）。所有的类都在eden区被new出来，幸存区分为from+to。当eden区的空间用完后，程序又需要创建对象，jvm的gc将eden区进行垃圾回收（minor gc），将eden区中的不再被其它对象应用的对象进行销毁。然后将eden区中剩余的对象移到from区，若from也满了，再对该区进行gc，然后移到to区（这块有多种gc算法，不扩展，后续展开）

from才会接收来自eden的对象，from满了会触发gc转移到to，同时年龄+1；

然后from-to逻辑进行转换（复制算法），多次转换后当年龄==15，就转移到老年代；

年龄：（64位）对象头中针对年龄是一个4字节，0000~FFFF （0~15）

age<=15,通过jvm参数设置

分配担保机制（如果对象过大（和新生代的百分比进行比较），则直接初始化到老年代中）

引用如下进行解释分配担保机制：

https://blog.csdn.net/kavito/article/details/82292035

        b. 老年代（Old Generation）

        新生代经过多次GC仍然存货的对象移动到老年区。若老年代也满了，这时候将发生Major GC（也可以叫Full GC），进行老年区的内存清理。若老年区执行了Full GC之后发现依然无法进行对象的保存，就会抛出OOM（OutOfMemoryError）异常

• 元空间（Meta Space）

        在JDK1.8之后，元空间替代了永久代，它是对JVM规范中方法区的实现，区别在于元数据区不在虚拟机当中，而是用

的本地内存，永久代在虚拟机当中，永久代逻辑结构上也属于堆，但是物理上不属于。

为什么移除了永久代？

参考官方解释http://openjdk.java.net/jeps/122

大概意思是移除永久代是为融合HotSpot与 JRockit而做出的努力，因为JRockit没有永久代，不需要配置永久代。

• 栈(Stack)

        Java线程执行方法的内存模型，一个线程对应一个栈，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息）不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就释放，生命周期和线程一致

• 本地方法栈(Native Method Stack)

        和栈作用很相似，区别不过是Java栈为JVM执行Java方法服务，而本地方法栈为JVM执行native方法服务。登记native方法，在Execution Engine执行时加载本地方法库

• 程序计数器(Program Counter Register)

jvm还有很多内容，后期有时间继续研究，有不足的大家留言提出，谢谢！