java内功 ---- jvm虚拟机原理总结

Posted 2020-07-30 NONE

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”：