JVM 基础知识

Posted 2020-09-30 llguanli

• • JVM 概念
  • 类载入器子系统
    • 装载
    • 链接
    • 初始化
  • JVM 内存模型
    • 方法区Method Area
    • 堆区Heap Area
    • 栈区Stack Area
    • 程序计数器Program Counter Register
    • 本地方法栈Native Method Stacks
  • 运行引擎
  • Java Native Interface JNI
  • 本地方法库

JVM 概念

JVM（Java Virtual Mechine，Java虚拟机），是 Java 应用程序的运行时引擎。JVM 是 JRE（Java Runtime。Java运行环境）的一部分，它实际上就是去运行 Java 程序的 main 方法。

为什么说 Java 是一个平台无关的语言？ Java 号称是 Write Once。Run Anywhere，能实现这个的核心。就是 JVM 。当我们通过编译器编译 .java 文件时，会生成一个同名的 .class 文件（包含字节码），当我们运行 Java 程序时，流程如图所看到的：

类载入器子系统

类载入器子系统主要负责下面三部分：

• 装载
• 链接
• 初始化

装载

类载入器读取 .class 文件。生成对应的二进制数据并将其保存在方法区域中。对于每一个 .class 文件，JVM 在方法区域中存储下面信息：

• 已载入类及其直接父类的全名（含包名）
• .class 文件是否与类或接口或 Enum 相关
• 修饰符。变量和方法信息等

载入完 .class 文件后，JVM 会创建一个类型为 Class 的对象。以便在堆内存中表示此文件。这里须要注意的是。该 Class 对象的类型是在java.lang包中提前定义的类。这个Class对象能够被程序猿用于获取类名，类名。方法和变量信息等类级别信息。我们能够通过 Object#getClass 方法来获取该对象。这也是 Java 反射的基础。关于反射可參见这篇文章。

/** 
 * java获取Class对象的三种方式 
 */  
public static Class<?> getClassObj() {  
    // 依据类名获取Class对象  
    Class<?
> clazz1 = People.class;  

    // 依据对象获取Class对象  
    People people = new People();  
    Class<?> clazz2 = people.getClass();  

    // 依据完整类名获取Class对象  
    try {  
        Class<?> clazz3 = Class.forName("com.yuyh.reflection.java.People");  
    } catch (ClassNotFoundException e) {  
        Log.e(TAG, e.toString());  
    }  

    Log.i(TAG, "clazz1 = " + clazz1);  

    return clazz1; // clazz2 clazz3  
}  

链接

链接过程负责对二进制字节码的格式进行： 校验、初始化装载类中的静态变量、解析类中调用的接口、类。在完毕了校验后，JVM初始化类中的静态变量，并将其值赋为默认值。

• 校验： 确保 .class 文件的正确性，检查此文件是否正确格式化并由有效编译器生成。假设验证失败，将会抛出运行时异常：java.lang.VerifyError ；
• 初始化： JVM为类变量分配内存并将内存初始化为默认值。

  比如 public static int CODE = 1; 实际上。是将CODE初始化为0；

• 解析： 通过搜索方法区域来定位被引用的实体。对类中的全部属性、方法进行解析，以确保其须要调用的属性、方法存在。以及具备应的权限。若方法或属性不存在，将会抛出 NoSuchMethodError 、NoSuchFieldError 等异常。

初始化

在这个阶段，全部静态变量都会分配他们在代码和静态块（假设有）中定义的值，也就是赋值。运行顺序是在类中从上到下运行，在类层次中从父类到子类运行。

通常有三个类载入器：

• 引导类载入器： 每一个 JVM 实现都必须有一个引导类载入器。用于载入载入 JAVA_HOME/jre/lib 文件夹中存在的核心 Java API 类。

  这个路径通常称为引导路径。

  该载入器通过 C。C ++ 等语言实现。

• 扩展类载入器：用于载入扩展文件夹 JAVA_HOME/jre/lib/ext（扩展路径）或 java.ext.dirs 系统属性指定的不论什么其它文件夹中存在的类。该载入器通过 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 类实现。

• 系统/应用程序类载入器：是扩展类载入器的子类。用来载入启动參数中指定的Classpath中的jar包以及文件夹。它也通过 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 类实现，对应的类名为 AppClassLoader 。

举个栗子：

public class Test{

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        System.out.println(Test.class.getClassLoader());
    }
}   

输出：

null
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e03

由于 String 类是通过引导类载入器载入的。而引导类载入器是通过 C/C++ 实现的，并不是 Java 对象，所以为null；而我们自己定义的类是通过应用程序类载入器载入的。

注：JVM遵循托付 - 层次原理来载入类。

1. 系统类载入器 托付载入请求到 扩展类载入器
2. 扩展类载入器 托付载入请求到 引导类载入器
3. 假设类在引导路径中找到。类被载入，否则请求再次传递到扩展类载入器，然后到系统类载入器。最后假设系统类载入器无法载入类。那么我们得到运行时异常java.lang.ClassNotFoundException。
如图所看到的：

JVM 内存模型

方法区（Method Area）

在方法区域中，存储类名称、直接父类名称、方法和变量信息等全部类级信息，包含静态变量。

每一个 JVM 仅仅有一个方法区。它是一个线程共享资源。

对于每一个载入的类，会在方法区中保存下面信息：

类型信息
  类及其直接父类的全限定名（java.lang.Object没有父类）
  类的类型
  类的訪问修饰符
  实现的接口的全限定名的列表
  字段与方法信息
  常量池
  除常量外的静态变量
  类的Class及ClassLoader引用

字段信息
  字段名
  字段类型
  字段的修饰符(public, private , protected, static, final, volatile, transient)

方法信息
  方法名
  方法返回类型
  方法參数的数量和类型（依照顺序）
  方法的修饰符(public, private, protected , static, final, synchronized, native, abstract)

堆区（Heap Area）

全部对象（包含数组）的信息存储在堆区域中。每一个 JVM 也有一个堆区域，而且它也是一个线程共享资源。堆区可能会抛出 OutOfMemoryError 异常。

栈区（Stack Area）

对于每一个线程，JVM 会创建一个存储在此处的运行时堆栈。每调用一个方法，就会生成一个栈帧（Stack Frame）用于存储方法的本地变量表、操作栈、方法出口等信息。当这种方法运行完后，就会弹出对应的栈帧。假设请求的栈的深度过大，虚拟机可能会抛出 StackOverflowError 异常。假设虚拟机的实现中同意虚拟机栈动态扩展，当内存不足以扩展栈的时候，会抛出 OutOfMemoryError 异常。在线程终止后。它的运行时栈将被 JVM 销毁。它不是共享资源。

程序计数器（Program Counter Register）

存储线程当前运行指令的地址。由于多线程间切换时要恢复每一个线程的当前运行位置，显然每一个线程都会有独立的PC寄存器。

本地方法栈（Native Method Stacks）

对于每一个线程，会创建单独的本地堆栈。它存储本地方法信息。与 Stack Area 相似。

运行引擎

运行引擎运行 .class（字节码）。它逐行读取字节代码，读取各类存储区中存在的数据和信息并运行指令。它能够分为三个部分：

• 解释： 它逐行解释字节码，然后运行。

  主要缺点是当一个方法被多次调用时，每次都须要解释。（第一代JVM）

• 即时编译（Just-In-Time Compiler，JIT）： 用于提高解释器的效率。

  它编译整个字节码并将其更改为本机代码，因此每当解释器查看反复的方法调用时，JIT为该部分提供直接本地代码，因此不须要又一次解释，从而提高效率。（第二代JVM）

• 垃圾收集器：它会销毁未引用的对象。

  关于垃圾收集，暂不叙述。

Java Native Interface (JNI)

它是与本地方法库交互并提供运行所需的本机库（C。C ++）的接口，使JVM 能够调用C / C ++库。

本地方法库

它是运行引擎所需的本机库（C。C ++）的集合。