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java进阶——JVM

1、JVM概述

作用

Java 虚拟机就是二进制字节码的运行环境，负责装载字节码到其内部，解释/编译为对 应平台上的机器码指令行，每一条 java 指令，java 虚拟机中都有详细定义，如怎么取操 作数，怎么处理操作数，处理结果放在哪儿。

特点：

一次编译到处运行

自动内存管理

自动垃圾回收功能

现在的 JVM 不仅可以执行 java 字节码文件,还可以执行其他语言编译后的字节码文件,是一 个跨语言平台.

JVM的位置

JVM 是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。

构成部分：

JVM 整体组成可分为以下四个部分：

1.类加载器（ClassLoader）

2.运行时数据区（Runtime Data Area）

3.执行引擎（Execution Engine）

4.本地库接口（Native Interface）

简图：

详细图：

各个组成部分的用途

程序在执行之前先要把 java 代码转换成字节码（class 文件），jvm 首先需要 把字节码通过一定的方式 类加载器（ClassLoader） 把文件加载到内存中 的运行时数据区（Runtime Data Area） ，而字节码文件是 jvm 的一套指 令集规范，并不能直接交个底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析 器执行引擎（ExecutionEngine） 将字节码翻译成底层系统指令再交由 CPU 去执行，而这个过程中需要调用其他语言的接口 本地库接口（Native Interface） 来实现整个程序的功能，这就是这 4 个主要组成部分的职责与 功能。

而我们通常所说的 JVM 组成指的是运行时数据区（Runtime Data Area），因为通常需要程序员调试分析的区域就是“运行时数据区”，或者 更具体的来说就是“运行时数据区”里面的 Heap（堆）模块。

Java 代码的执行流程

Java 编译器编译过程中，任何一个节点执行失败就会造成编译失败。虽然各个 平台的 java 虚拟机内部实现细节不尽相同，但是它们执行的字节码内容却是一 样的。 JVM 主要任务就是负责将字节码装载到其内部，解释/编译为对应平台上的机器 指令执行。JVM 使用类加载器（Class Loader）装载 class 文件。 类加载完成后，会进行字节码校验，字节码校验通过之后 JVM 解释器会把字节 码翻译成机器码交由操作系统执行。 但不是所有的代码都是解释执行，JVM 对此作了优化，比如 HotSpot 虚拟机， 它本身提供了 JIT(Just In Time)编译器.

JVM 架构模型

Java 编译器输入的指令流基本上是一种基于栈的指令集架构,另一种指令集架构 是基于寄存器的指令集架构.

基于栈式架构的特点

设计和实现更简单,适用于资源受限的系统. 使用零地址指令方式分配,其执行过程依赖于操作栈,指令集更小,编译器容易实 现.不需要硬件支持,可移植性好,更好实现跨平台.

基于寄存器式架构特点:

指令完全依赖于硬件,可移植性差.

性能优秀,执行更高效.

完成一项操作使用的指令更少.

使用 javap -v class 文件可以将 class 文件反编译为指令集.

所以由于跨平台的设计,Java 指令集都是根据栈来设计的,不同 CPU 架构不同,

所以不能设计为基于寄存器的.

优点是跨平台,指令集小,编译器容易实现.

缺点是性能下降,实现同样功能需要更多的指令.

2、JVM结构-类加载

类加载子系统

作用:

类加载器子系统负责从文件系统或者网络中加载 class 文件。

主负责加载类, 有执行引擎执行,存放在方法区(元空间)

扮演者的是一个快递员的角色

1. class file 存在于硬盘上,可以理解为设计师画在纸上的模板,而最终这个模板 在执行的时候是要加载 JVM 当中来,根据这个模板实例化出 n 个一模一样的实 例.

2. class file 加载到 JVM 中,被称为 DNA 元数据模板,放在方法区中.

3. 在.class–>JVM–>最终称为元数据模板,此过程就要有一个运输工具(类加 载器 Class Loader),扮演一个快递员的角色.

类加载过程

1.加载

根据类的地址,从硬盘上读取类的信息,

将信息读入到方法区,生成Class类的对象

2.链接

验证: 验证字节码文件格式是否是当前虚拟机所支持的文件格式,语法格式

准备: 为静态成员分配默认值(int 默认值0) 注意static final在编译期间赋值

解析: 将字节码中符号引用 替换 成 直接引用

例如: 编写代码 方法1 中调用 方法2 (符号引用)

类加载到内存后把符号的引用地址 换成 内存的地址引用

3.初始化

类什么时候初始化

1 )创建类的实例，也就是 new 一个对象

2）访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值

3）调用类的静态方法

4）反射（Class.forName(“”)）

5）初始化一个类的子类（会首先初始化子类的父类）

类的初始化顺序

先初始化静态的,多个静态的按照从上向下的顺序执行,

如果类有父类,则先初始化父类的静态,然后是子类.

如果是创建对象,先调用父类的构造方法,然后是子类自己的构造方法

类加载器

站在JVM的角度划分: 启动类加载器(不是java语言写的),

其他类加载(都是java语言写的)

站在开发者的角度:

启动类加载器(引导类加加载器)

这个类加载器使用 C/C++语言实现,嵌套在 JVM 内部.它用来加载 java 核心类

库.

负责加载扩展类加载器和应用类加载器

加载<JAVA_HOME>lib

扩展类加载类器

是由java语言实现的 继承自ClassLoader

负责加载 E:ProgramFilesJavajdk1.8.0_261jrelibext

应用程序类加载器(系统类加载器)

Java 语言编写的,由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现.

派生于 ClassLoader 类.

负责加载用户类

用户自定义类加载器(例如tomcat)

双亲委派机制

类的加载时按需加载,使用时才会加载.

类加载时,加载器都会将类交给父级类加载器加载.

如果所有的父级加载没有找到类,

则一级一级的向下委派查找.

如果都找不到,那么就会抛出异常.

目的: 为了安全考虑 避免了用户自己写的类覆盖了系统中的类.

类的主动使用和被动使用

主动使用会触发类的初始化

new

使用静态变量 静态方法

反射加载类

执行main方法

子类被初始化 父类也会触发初始化

被动使用不会触发了类的初始化

仅仅使用类的静态常量 而且是直接赋字面量的那种

将类作为数组的类型声明使用时不会触发初始化

3、JVM 运行时数据区

堆,方法区(元空间) 主要用来存放数据 是线程共享的.

程序计数器,本地方法栈,虚拟机栈 是运行程序的,是线程私有的.

程序计数器

jvm中的程序计数器不是cpu中的寄存器, 可以理解为计数器.

是一块非常小的内存空间,运行速度是最快的,不会出现内存溢出情况.

作用:记录当前线程中的方法执行的位置. 以便于cpu在切换执行时,记录程序执行的为位置.

在运行时数据区中唯一一个不会出现内存溢出的区域.

本地方法栈

当我们在程序中调用本地方法时,会将本地方法加载到 本地方法栈中执行.

也是线程私有的, 如果空间不够,也会出现栈溢出错误. hashCode();

虚拟机栈

背景: java为了移植性好(跨平台) 所以将运行程序的设计架构为栈结构运行, 而不是依赖于cpu的寄存器架构.

栈是运行时的单位(加载方法运行),

而堆是存储的单位(存储对象的).

作用运行方法 一个方法就是一个栈帧. 栈帧中包含( 局部变量(基本类型,引用地址) 方法地址,返回地址)

栈中的操作 入栈,出栈
栈中异常 StackOverflowError：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度。 递归调用方法次数过多

栈中存储方法运行时需要的数据

栈的运行原理 第一个方法被加载 入栈 在方法中调用了其他方法, 另一个方法入栈 方法运行结束后出栈.

栈帧的结构:
局部变量表: 方法参数,定义的局部变量, 基本值类型直接存值, 引用类型存地址.

操作数栈

动态链接

方法返回地址

4、Java 堆

5、方法区