java内功 ---- jvm虚拟机原理总结

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了java内功 ---- jvm虚拟机原理总结相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

参考书籍:《深入理解java虚拟机》,三天时间用了八个小时看完,像读一本武侠小说,挺爽。

另外需声明:图片都是从我自己的csdn博客转载,所以虽然有csdn标识,但都是我自己画的图片。

 

java是半编译半解释的语言,.java首先编译为.class。通过一些二进制阅读软件,你可以去了解.class文件的内部构成。《深入理解java虚拟机》一书有专门章节讲这个,我觉得比较麻烦,不多说。

配合《深入理解java虚拟机》一书、类似这样的方式去了解.class文件里面的二进制信息,可以搞得很清楚(类信息怎样存、类成员变量怎样存、方法怎样存等等):

 

虚拟机类加载机制(java是半编译半解释的语言,.java文件首先编译为.class文件,由于编译是面向jvm的,所以这与C++的编译思路有些不同。只要编译为jvm能理解的就可以了,而非像C++那样编译为计算机可以执行的机器码。java的jvm才负责与真正的计算机交流,java程序则只需jvm能解读就可以了。所以这种半编译半解释的特性提供了很多C++所无法企及的灵活性。):

上图是java的加载机制。我们首先需要了解的是java类初始化(图中的Initialization)的时机(包括但不完全是这三种):

1,new

2,反射

3,初始化一个类时,若父类还未被初始化,先初始化其父类

 

而类的加载时机,则是最迟不晚于类的初始化时机。

类加载要做的事首先是通过类名(包括包),找到此类的.class二进制字节流。将该类信息加载到方法区(大抵仍是很原始的.class内容)。然后再内存中实例化一个java.lang.Class类对象(每一个类的信息在java中也是对象,这是很有哲学意味的一个概念)。这个java.lang.Class对象却并不是java堆中(虽然是对象),是存在方法区里。这个对象是程序访问方法区中类的对外接口。

在图中的的准备(Preparation)阶段,是对加载阶段的延续--同样是在方法区做事:初始化static变量。只分配内存空间,此时都是0值。

例如一个类中写到public static int value = 123; 则在准备阶段,publi static int value = 0;在初始化阶段才public static int value = 123; 

但若为public static final int value = 123;则在准备阶段 便public static final int value = 123;

解析阶段是将常量池(《深入理解虚拟机》第六章介绍)内的符号引用(.class文件内的数据结构)转化为直接引用(真正对应虚拟机内存布局)

 

 

可以看出在初始化过程前,都是对类信息的加载、连接,也都是在方法区进行的。而从初始化阶段开始,真正涉及java执行引擎。

大致为下面这样的代码的话:

 

public class C
{
       private int b = 1; 
       public static int a;
       public method1(){……}  
}

 

 java代码的执行主要基于栈结构(方法),而堆就是动态分配对象内存的地方,这些堆、栈的概念与C++相似。不同的是java是半解释型的语言。java程序是解释执行(之前的加载类信息过程也不仅仅是通过编译后的.class,可以通过jar包、网络、运行时计算生成例如动态代理、其它文件例如jsp)在jvm的执行引擎,而C++程序是直接执行在真实的计算机之上(编译为目标汇编后……)

 

这里引用一下《深入理解java虚拟机》中的一段话:

      执行引擎是Java虚拟机最核心的组成部分之一。“虚拟机”是一个相对于“物理机”的概念。这两种机器都有代码执行的能力,其区别是物理机执行引擎是直接建立在处理器、硬件、指令集和操作系统层面上的,而虚拟机的执行引擎则是由自己实现的,因此可以自行制定指令集与执行引擎的结构体系,并且能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。

我之前画过一张基于C++语言反汇编来分析的栈空间示意图,画的是开辟新栈帧的过程,图中有些顺序没法表示清楚,先是参数入栈,然后ebp入栈,之后ebp指向esp,sub esp新栈帧长度、然后push ebx、esi、edi、局部变量入栈。

 

退出当前栈帧的过程与之相反。pop edi ,pop esi , pop ebx ,mov esp,ebp ,pop ebp 。之后,edi,esi,ebx恢复原来状态,ebp指向上一个栈帧栈底,esp指向上一个栈帧栈顶:

 

java虚拟机的栈帧结构与之有些差异,因为这是虚拟机,而非物理机(首先就不会用到物理机那些寄存器)。

首先我们要知道一点,在.java文件编译为.class文件的时候,.class文件里便已经定义了许多栈帧需要的信息:例如一个栈帧需要多大局部变量表、多深的操作数栈等等。

图上所说的方法的符号引用和直接引用可以大致这样理解:符号引用只是说明要调用哪个方法,而直接引用则是指明了方法在虚拟机里的内存地址。

符号引用向直接引用的转化有两种:其一是解析阶段(见本文第一张图)。另一种是动态连接(运行时确定)。前者基本就是编译阶段确定了类型,后者则是运行时确定类型。

动态确定方法,就是要靠图中栈帧里的“动态连接”区域来搞定。

 

java的“反汇编”(注意我是打了引号的),由此可以看出虚拟机在栈中怎样解释执行java方法的,用的是java虚拟机独有的“指令集”:

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