JVM体系结构及其细节

Posted 2020-12-23 xdcat

JVM

JVM运行在操作系统之上，与硬件没有直接的交互。引入Java语言虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。

JVM的体系结构

Java栈、本地方法栈和程序计数器是线程私有的，内存占用少，几乎不存在垃圾回收。

方法区和堆所有线程共享，存在大量垃圾回收。

类装载器

负责加载class文件，class文件在文件开头有特定的文件标识（cafe babe），将class文件加载到内存中，并将这些内容转换成方法区中运行时数据机构，并且ClassLoader只负责class文件的加载，运行由执行引擎负责。

 

虚拟机自带的加载器：

• 启动类加载器BootStrap【C++】
• 扩展类加载器Extension【Java】
• 应用程序类加载器AppClassLoader（系统类加载器）：加载当前应用的classpath的所有类

用户自定义的加载器：java.lang.ClassLoader的子类

 1     public static void main(String[] args) {
 2         Object object = new Object();
 3         //打印null
 4         System.out.println(object.getClass().getClassLoader());//jdk自带的类--BootStrap
 5 
 6         MyObject myObject = new MyObject();
 7         //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
 8         System.out.println(myObject.getClass().getClassLoader());//自定义的类--AppClassLoader
 9         //sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4554617c
10         System.out.println(myObject.getClass().getClassLoader().getParent());
11         //null
12         System.out.println(myObject.getClass().getClassLoader().getParent().getParent());
13     }

sun.misc.Launcher：JVM相关调用的入口程序

双亲委派机制

当一个类受到类加载请求，不会自己去加载，而是委派给父类完成，所有的加载请求都应该传送到启动类加载器中，只有当父类加载器反馈自己无法完成请求的时候（加载路径下没有需要加载的Class），子类加载器才会尝试自己去加载。

双亲委派机制的好处：

• 防止重复加载同一个.class，通过委派给父类加载器，加载过了，就不用再加载一遍。保证数据安全。
• 保证核心.class不能被篡改。通过委派，不会去篡改核心.clas，即使篡改也不会去加载，即使加载也不会是同一个.class对象了。不同的加载器加载同一个.class也不是同一个Class对象。这样保证了Class执行安全。【防止污染jdk源码】

沙箱安全机制

Java安全模型的核心就是Java沙箱，沙箱是一个限制程序运行的环境。沙箱机制就是将 Java 代码限定在虚拟机(JVM)特定的运行范围中，并且严格限制代码对本地系统资源访问，通过这样的措施来保证对代码的有效隔离，防止对本地系统造成破坏。沙箱主要限制系统资源访问，系统资源包括CPU、内存、文件系统、网络。不同级别的沙箱对这些资源访问的限制也可以不一样。所有的Java程序运行都可以指定沙箱，可以定制安全策略。

native接口和方法

普通方法放在Java栈中，native方法放在本地方法栈中。native是一个关键字，native方法在源码中只有声明，没有实现。

本地接口：为了融合其他编程语言，需要调用c/c++程序的时候，在内存中开辟一块区域处理native代码，在执行引擎执行的时候加载本地库。【目前使用越来越少，一般与硬件相关的应用会使用】

本地方法栈：在栈中登记native方法，在执行引擎执行的啥时候加载本地方法库。

程序计数器（PC寄存器）

用于记录方法之间的调用和执行情况。每个线程都有一个程序计数器，线程私有，就是一个指向方法区中的方法字节码的指针，用来存储指向下一条指令的地址），也即将要指向的指令代码，由执行引擎来读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不计。

实际上就是当前线程所指向的字节码的行号指示器，字节码解释器通过改变计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，如果执行的是native方法，则计数器是空的。用来完成分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能，不会发生内存溢出（OOM）错误。

方法区

方法区是线程共享的运行时内存区域，它存储每个类的结构信息。例如：常量池、字段、方法数据、构造函数、普通方法的字节码内容。【方法区是一个规范，不同的虚拟机中有着不一样的实现，例如永久代和元空间】

实例变量存在堆内存中，和方法区无关

Java栈

栈负责运行，堆负责存储。

Java栈负责程序的运行，在线程创建的时候创建，生命周期跟随线程的生命周期，是线程私有的，线程结束，内存释放。Java栈不存在垃圾回收的问题，线程一结束，栈内存就释放了。

Java的8种基本类型，对象的引用变量和实例方法都是在函数的栈内存种分类。

栈内存储的数据：

• 本地变量：输入、输出参数及方法内的变量（局部变量）
• 栈操作：出栈、入栈的操作
• 栈帧数据：类文件、方法等

什么是栈帧？参考 ? https://www.jianshu.com/p/b666213cdd8a

Person p = new Person()

引用变量p存在栈内存中  实例变量new Person()存在堆内存中

栈的运行原理：栈中的数据已栈帧的格式存在，栈帧是一个内存区块，是一个关于方法和运行期数据的数据集。其大小和JVM的实现有关，通常在256K~756K之间，1Mb左右

当方法A被调用是产生一个栈帧F1被压入栈中，A调用了B，B的栈帧F2被压入栈，B调用C，C的栈帧F3被压入栈帧。执行完毕后，F3、F2和F1一次弹出。

栈异常：java.lang.StackOverflowError （SOF）属于错误

 

堆、栈和方法区之间的关系

 

 HotSpot是使用指针的方式来访问对象【Java HotSpot补充：https://www.jianshu.com/p/714eb5adadb9】

Java堆会存放访问类元数据（类的结构信息）的地址

reference存储是对象的地址

Java堆中可以存在多个Person实例：p1、p2、p3。而p1，p2，p3都指向方法区中同一个对象类型数据（Person Class），即类的结构信息。