Java虚拟机工作原理

Posted 2021-04-30 Java团长

首先我想从宏观上介绍一下Java虚拟机的工作原理。从最初的我们编写的Java源文件（.java文件）是如何一步步执行的，如下图所示，首先Java源文件经过前端编译器（javac或ECJ）将.java文件编译为Java字节码文件，然后JRE加载Java字节码文件，载入系统分配给JVM的内存区，然后执行引擎解释或编译类文件，再由即时编译器将字节码转化为机器码。主要介绍下图中的类加载器和运行时数据区两个部分。

类加载

类加载指将类的字节码文件（.class）中的二进制数据读入内存，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆上创建java.lang.Class对象，封装类在方法区内的数据结构。类加载的最终产品是位于堆中的类对象，类对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向JAVA程序提供了访问方法区内数据结构的接口。如下是类加载器的层次关系图。

• 启动类加载器（BootstrapClassLoader）：在JVM运行时被创建，负责加载存放在JDK安装目录下的jre\lib的类文件，或者被-Xbootclasspath参数指定的路径中，并且能被虚拟机识别的类库（如rt.jar，所有的java.*开头的类均被Bootstrap ClassLoader加载）。启动类无法被JAVA程序直接引用。

• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：该类加载器负责加载JDK安装目录下的\jre\lib\ext的类，或者由java.ext.dirs系统变量指定路径中的所有类库，开发者也可以直接使用扩展类加载器。

• 应用程序类加载器（AppClassLoader）：负责加载用户类路径（Classpath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有定义过自己的类加载器，该类加载器为默认的类加载器。

• 用户自定义类加载器（User ClassLoader）：JVM自带的类加载器是从本地文件系统加载标准的java class文件，而自定义的类加载器可以做到在执行非置信代码之前，自动验证数字签名，动态地创建符合用户特定需要的定制化构建类，从特定的场所（数据库、网络中）取得java class。

注意如上的类加载器并不是通过继承的方式实现的，而是通过组合的方式实现的。而JAVA虚拟机的加载模式是一种委派模式，如上图中的1-7步所示。下层的加载器能够看到上层加载器中的类，反之则不行。类加载器可以加载类但是不能卸载类。说了一大堆，还是感觉需要拿点代码说事。

首先我们先定义自己的类加载器MyClassLoader，继承自ClassLoader，并覆盖了父类的findClass(String name)方法，如下：

public class MyClassLoader extends ClassLoader{
    private String loaderName;  //类加载器名称
    private String path = "";   //加载类的路径
    private final String fileType = ".class";
    public MyClassLoader(String name){
        super();   //应用类加载器为该类的父类
        this.loaderName = name;
    }
    public MyClassLoader(ClassLoader parent,String name){
        super(parent);
        this.loaderName = name;
    }
    public String getPath(){return this.path;}
    public void setPath(String path){this.path = path;}
    @Override
    public String toString(){return this.loaderName;}
    
    @Override
    public Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException{
        byte[] data = loaderClassData(name);
        return this.defineClass(name, data, 0, data.length);
    }
    //读取.class文件
    private byte[] loaderClassData(String name){
        InputStream is = null;
        byte[] data = null;
        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
        try {
            is = new FileInputStream(new File(path + name + fileType));
            int c = 0;
            while(-1 != (c = is.read())){
                baos.write(c);
            }
            data = baos.toByteArray();

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally{
            try {
                if(is != null)
                    is.close();
                if(baos != null)
                    baos.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return data;
    }
}

我们如何利用我们定义的类加载器加载指定的字节码文件（.class）呢？如通过MyClassLoader加载C:\\Users\\Administrator\\下的Test.class字节码文件，代码如下所示：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub        
        //MyClassLoader的父类加载器为系统默认的加载器AppClassLoader
        MyClassLoader myCLoader = new MyClassLoader("MyClassLoader");
        //指定MyClassLoader的父类加载器为ExtClassLoader
        //MyClassLoader myCLoader = new MyClassLoader(ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent(),"MyClassLoader");
        myCLoader.setPath("C:\\Users\\Administrator\\");
        Class<?> clazz;
        try {
            clazz = myCLoader.loadClass("Test");
            Field[] filed = clazz.getFields();   //获取加载类的属性字段
            Method[] methods = clazz.getMethods();   //获取加载类的方法字段
            System.out.println("该类的类加载器为：" + clazz.getClassLoader());
            System.out.println("该类的类加载器的父类为:" + clazz.getClassLoader().getParent());
            System.out.println("该类的名称为：" + clazz.getName());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行时数据区

字节码的加载第一步，其后分别是认证、准备、解析、初始化，那么这些步骤又具体做了哪些工作，以及他们会对运行时数据区缠身什么影响呢？如下图所示：

如下我们将介绍运行时数据区，主要分为方法区、Java堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。其中方法区和Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，而虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器是线程私有的内存区。

• Java堆：Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，被进程的所有线程共享，在虚拟机启动时被创建。该区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存，随着JIT编译器的发展与逃逸分支技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换等优化技术使得对象在堆上的分配内存变得不是那么“绝对”。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。由于现在的收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以分为老年代和新生代(Eden、From Survivor、To Survivor)。根据Java虚拟机规范，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑上连续即可。该区域的大小可以通过-Xmx和-Xms参数来扩展，如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法扩展，将会抛出OutOfMemoryError异常。

• 方法区：用于存储被Java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等数据。不同于Java堆的是，Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，可以选择不实现垃圾收集。但并非数据进入了方法区就“永久”存在了，这区域内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。如果该区域内存不足也会抛出OutOfMemoryError异常。

• 常量池：这个名词可能大家也经常见，它是方法区的一部分。Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息就是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。Java虚拟机运行期间，也可能将新的常量放入常量池（如String类的intern()方法）。

• 虚拟机栈：线程私有，生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行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。每个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。如果请求的站深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常，虚拟机栈在动态扩展时如果无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

• 本地方法栈：与虚拟机栈类似，不过虚拟机栈是为虚拟机执行Java方法（字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。该区域同样会报StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

写了这么多，感觉还是少一个例子。通过最简单的一段代码解释一下，程序在运行时数据区个部分的变化情况。

public class Test{
      public static void main(String[] args){
           String name = "best.lei";
           sayHello(name);
       }
       public static void sayHello(String name){
           System.out.println("Hello " + name);
       }
}

通过编译器将Test.java文件编译为Test.class，利用javap -verbose Test.class对编译后的字节码进行分析，如下图所示：

我们在看看运行时数据区的变化：

Java团长

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