java虚拟机运行机制

超、凢脫俗 2022-04-24 03:04 229阅读 0赞

最近出去面试，总被问到Java JVM相关的东西，什么JVM的内存模型、JVM的内存分配、内存回收、内存回收算法…搞得我一头雾水，早些年还看过一些，蹭着有时间给大家也给自己总结下JVM相关的知识。

# JVM #

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java虚拟机主要由字节码指令集、寄存器、栈、垃圾回收堆和存储方法域等构成。 JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使Java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在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

# JVM声明周期 #

JVM伴随Java程序的开始而开始，程序的结束而停止。一个Java程序会开启一个JVM进程，一台计算机上可以运行多个程序，也就可以运行多个JVM进程。

JVM将线程分为两种：守护线程和普通线程。守护线程是JVM自己使用的线程，比如垃圾回收（GC）就是一个守护线程。普通线程一般是Java程序的线程，只要JVM中有普通线程在执行，那么JVM就不会停止。

# JVM内存模型组成 #

JVM内存模型主要由堆内存、方法区、程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈组成，其组成的结构如下图所示。  
![这里写图片描述][20180522214749233]

其中，堆和方法区是所有线程共有的，而虚拟机栈，本地方法栈和程序计数器则是线程私有的。

## 堆内存 ##

堆内存是所有线程共有的，可以分为两个部分：年轻代和老年代。下图中的Perm代表的是永久代，但是注意永久代并不属于堆内存中的一部分，同时jdk1.8之后永久代也将被移除。  
![这里写图片描述][20180522215049251]

堆内存是我们在生产环境中进行内存性能调优中的一个重要的内容，而内存回收的一些机制和算法也是常见的考点，大家可以访问下面的链接：[Java性能优化之JVM GC][Java_JVM GC]

## 方法区 ##

方法区与Java堆一样，是各个线程共享的区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息，常量，静态变量，即时编译(JIT)后的代码等数据。

由于程序中所有的线程共享一个方法区，所以访问方法区的信息必须确保**线程是安全的**。如果有两个线程同时去加载一个类，那么只能有一个线程被允许去加载这个类，另一个必须等待。

在程序运行时，方法区的大小是可以改变的，程序在运行时可以扩展。同时，方法区里面的对象也可以被垃圾回收，但条件非常严苛，必须在该类没有任何引用的情况下才能被GC回收。

## 程序计数器 ##

在JVM的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

JVM的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，为了各条线程之间的切换后计数器能恢复到正确的执行位置，所以**每条线程都会有一个独立的程序计数器**。

当线程正在执行一个Java方法，程序计数器记录的是正在执行的JVM字节码指令的地址；如果正在执行的是一个Natvie（本地方法），那么这个计数器的值则为空（Underfined）。

程序计数器占用的内存空间很少，也是唯一一个在JVM规范中没有规定任何OutOfMemoryError（内存不足错误）的区域。

## Java虚拟机栈 ##

与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，用通俗的话将它就是我们常常听说到堆栈中的那个“栈内存”。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表（局部变量表需要的内存在编译期间就确定了所以在方法运行期间不会改变大小），操作数栈，动态链接，方法出口等信息。每一个方法从调用至出栈的过程，就对应着栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。

## 本地方法栈 ##

栈作为一种线性的管道结构，遵循先进后出的原则。主要用于存储本地方法的局部变量表，本地方法的操作数栈等信息。当栈内的数据在超出其作用域后，会被自动释放掉。

本地方法栈是在程序调用或JVM调用本地方法接口（Native）时候启用。

# Java类加载机制 #

## 什么是类加载 ##

众所周知，JVM加载的是.class文件。其实，类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

同时，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器会在程序首次主动使用该类时会生成错误报告（LinkageError错误），如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误。

## 类的加载过程 ##

JVM将类的加载分为3个步骤：  
1、装载（Load）

2、链接（Link）

3、初始化（Initialize）

而链接（Link）又分3个步骤：  
1，验证

2，准备

3，解析  
可以使用下面的图像表示。  
![这里写图片描述][20180523075026439]

### 1，装载 ###

加载是类加载过程的第一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：  
1、通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流。

2、将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。

3、在Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。

相对于类加载的其他阶段而言，加载阶段是获取类的二进制字节流的最佳阶段，因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载，也可以自定义自己的类加载器来完成加载。

加载阶段完成后，虚拟机外部的 二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，而且在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象，这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

### 2，链接 ###

链接阶段分为三个步骤：验证、准备和解析。

*  **验证**：确保被加载的类的正确性；
 *  **准备**：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值；
 *  **解析**：把类中的符号引用转换为直接引用。

#### 验证 ####

验证是链接第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

*  **文件格式验证**：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。
 *  **元数据验证**：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外。
 *  **字节码验证**：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。
 *  **符号引用验证**：确保解析动作能正确执行。

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果不需要验证，那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

#### 准备 ####

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意：

1、这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。

2、这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。

#### 解析 ####

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用限定符7类符号引用进行。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。  
直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。

### 3，初始化 ###

初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值，JVM负责对类进行初始化，主要对类变量进行初始化。在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式：

1，声明类变量是指定初始值。

2，使用静态代码块为类变量指定初始值。

类的初始化步骤或JVM初始化的步骤如下：  
1）如果这个类还没有被加载和链接，那先进行加载和链接 ；

2）假如这个类存在直接父类，并且这个类还没有被初始化（注意：在一个类加载器中，类只能初始化一次），那就初始化直接的父类（不适用于接口）；

3 ) 假如类中存在初始化语句（如static变量和static块），那就依次执行这些初始化语句。

## Class加载器 ##

JVM的类加载是通过ClassLoader及其子类来完成的，类的层次关系和加载顺序可以由下图来描述。  
![这里写图片描述][20180523092457532]

### Bootstrap ClassLoader ###

负责加载$JAVA\_HOME中 jre/lib/rt.jar 里所有的class或Xbootclassoath选项指定的jar包。由C++实现，不是ClassLoader子类。

### Extension ClassLoader ###

负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA\_HOME中jre/lib/\*.jar 或 -Djava.ext.dirs指定目录下的jar包。

### App ClassLoader ###

负责加载classpath中指定的jar包及 Djava.class.path 所指定目录下的类和jar包。

### Custom ClassLoader ###

通过java.lang.ClassLoader的子类自定义加载class，属于应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader。

[20180522214749233]: /images/20220220/6e0eaed8bac540e590e47d897b5ab013.png
[20180522215049251]: /images/20220220/18139a9622d5485ba9ec3e2b97bd1a58.png
[Java_JVM GC]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/25539690
[20180523075026439]: /images/20220220/c6e5f9aae6444e91b660ed189971de6f.png
[20180523092457532]: /images/20220220/73dca2a6a58d4f5f808d847be2840a97.png