Java虚拟机——JVM(Java Virtual Machine)解析一

1.JVM是什么？

1.1 JVM概念

Java Virtual Machine (JVM) 是JDK的核心组件之一，它使得 Java 程序能够在任何支持 JVM 的设备或操作系统上运行，而无需修改源代码

JDK是什么，JDK和JVM是什么关系？

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1.Java IDE(Integrated Development Environment)：集成开发环境，专门用于Java编程(例如IDEA)，开发Java应用程序前需要选择某具体版本的JDK

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2.JDK(Java Development Kit) Java开发工具包，用于编写，编译，调试和运行Java应用程序，提供了开发Java程序所需的所有工具和资源。JDK=JRE+其他 3.JRE(Java Runtime Environment) Java运行时环境，包含Java虚拟机(JVM)，类库和其他文件，用于运行Java程序 通过以上的内容梳理可知，JDK包含JRE，JRE包含JVM

1.2 JVM作用

说到这里，我就要搞清楚计算机是如何认识我们编写的代码的 首先，计算机只认识0和1，执行的指令集也是一串一串的01。所以，我们编写的代码一定是被转换为二进制文件才能被计算机执行。 其次，不同的操作系统的指令集是不同的。例如，在Windows系统中0000 0010的意思是加法，而在Linux系统中的意思是减法（只是举例，不是真正的指令集）。 那么将开发者编写的代码直接转换为二进制文件，放在不同的操作系统中运行的结果可能也不同，如果要实现同样的功能就需要在不同的操作系统上编写不同的代码。 Java能跨平台运行的原因 先回忆一下刚开始学习Java编程的时候听过的一句话"一次编译，到处运行"，这句话体现了Java的跨平台能力，开发者只需要编写一次Java代码并编译成字节码文件，就可以在任何安装了JVM的机器上执行。 下面是Java代码从编写到运行的过程

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java文件通过javac(Java编译器，Java Compiler)编译成字节码文件(class文件) 可以把JVM看成计算机，字节码文件就相当于JVM的指令集。然后JVM把字节码文件转换为对应系统的指令集， 例如：现在有"Hello World"这么一串代码，Windows系统上的JVM将代码转换为0010，Linux系统上的JVM将代码转换为0110，最后两个系统的执行结果都是"Hello World"，这就实现了Java程序的跨平台运行

1.3 JVM执行流程

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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（Execution Engine）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

2.深入学习JVM

2.1运行时数据区

运行时数据区是Java程序执行时所需的内存区域。JVM启动时，会根据不同的内存区域分配和管理内存。一般来说，线程共享的区域的生命周期和JVM一致；线程私有的区域会随着线程的创建和销毁跟着一起创建和销毁，生命周期和所属线程一致。

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2.1.1.方法区(线程共享)

方法区是JVM内存规范中定义的抽象概念，并不是真实的物理空间。

在JDK8以前，使用永久代来实现方法区。永久代是在堆中开辟的内存空间，主要存储：

(1)类的元信息：类名，修饰符等 (2)常量池 (3)静态变量 注：永久代的大小是在JVM启动时固定的，难以根据实际需求来动态调整，而且永久代是在堆内存中开辟的空间，这也限制了永久代的大小。所以在JDK8之后使用元空间来实现方法区

在JDK8及以后，使用元空间来实现方法区(上面图片中的元数据区/元空间不太准确，但我确实没有找到更好的图片)

元空间存储方式相较于永久代有所改动。首先，元空间不再在堆内存中开辟空间，而是单独向操作系统申请空间，这就不会再受到堆内存大小的限制。其次，元空间可以根据实际需求来动态调整大小。然后，元空间内部存储的数据也发生了一些变化 (1)类的元信息依旧存储在元空间中 (2)常量池转移到堆中 (3)静态变量

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2.1.2.堆(线程共享)

JVM内存中最大的部分，是所有线程共享的空间。 1.在JVM启动时创建(可以动态调整大小，有上限)，是垃圾回收的主要位置。 2.几乎所有的对象实例(通过new创建)都存储在堆中。 3.从内存回收角度来看java堆可分为：新生代和老生代 注：JVM在编译时会分析对象是否逃逸出方法或者线程，如果对象不会逃逸出方法或者线程，只在内部使用，JVM就可以将其分配在栈(线程私有)上，以提高性能减少垃圾回收的开销，这里不做详细讨论

2.1.3.虚拟机栈(线程私有)

每个线程都有一个独立的虚拟机栈，用于存储栈帧（Stack Frame）。每个方法在执行时都会创建一个栈帧，用于存储方法的局部变量，方法调用和返回地址

2.1.4.本地方法栈(线程私有)

存储本地方法(Native Methods)调用的信息。本地方法是使用非Java语言(如C、C++)编写的方法，它们通过JNI(Java Native Interface，Java本地方法接口)与Java代码进行交互

2.1.5.程序计数器(线程私有)

存储当前线程执行的字节码指令的地址

2.2类加载器

2.2.1类加载过程

类加载包括：加载(Loading)，连接(Linking)和初始化(Initialization)三个步骤

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(1)加载(Loading)

通过类加载器将硬盘中的字节码文件加载到运行时数据区，并生成一个类对象存储在方法区。当然，也不一定是硬盘中的字节码文件，还可能来自于网络、数据库，甚至是即时生成的字节码文件

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注意一：着重区分加载和类加载的区别。加载(Loading)只是类加载的第一个阶段；而类加载包括加载(Loading)，连接(Linking)和初始化(Initialization)三个步骤

(2)验证(Verification)

确保类文件符合JVM规范中定义的类文件格式。 文件格式验证：检查文件是否是以0xCAFEBABE开头，这是Java类文件的标识；检查类文件的版本号是否和JVM对应，Java 8的JVM不支持Java 9的类文件 元数据验证：确保类的元数据信息没有语法错误 字节码验证：确保类的字节码指令是合法的，不会导致JVM崩溃或者执行不安全操作 注意二：在今天，验证操作不单单是验证(Verification)这一个阶段了。在解析阶段还有符号引用验证，解析阶段可以发生在初始化之前，也可能发生在初始化之后(代码中发生多态来实现后期绑定)，而且JVM的开发人员还在不断完善验证策略，所以验证操作分散在各个阶段内，并不是单一的阶段。

(3)准备(Preparation)

为类的静态变量分配内存并设置默认值。

 将类的静态变量分配到方法区(有一些静态变量不在方法区)

 基本数据类型初始化默认值，int类型初始化为0，boolean类型初始化为false

 引用类型初始化为null

 如果是静态常量，直接赋目标值，跳过默认值

(4)解析(Resolution)

将符号引用替换为直接引用。 直接引用：指向内存中的实际地址的指针或者偏移量 符号引用：是一种文本形式的引用，使用字符串或其他符号来描述目标类，字段和方法 问题：为什么要引入符号引用？ 因为在class文件加载到运行时数据区之前，class文件是在硬盘或者其他空间中存储的(反正不是内存)，没有地址和指针这个概念，如果要定位一个类，只能使用其他形式的标识符

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动态解析举例：加入B类是一个抽象类，实现的是身份选择功能，C和D类继承了B，分别代表普通用户和管理员。那么A到底引用C还是D，这可能需要用户来决定。此时，A类就会先进行初始化阶段，当用户选择完身份后再来解析

(5)初始化(Initialization)

任务：执行类的初始化代码 触发条件（以下任一情况都会触发初始化）： 1.创建类的实例（new） 2.访问类的静态变量（非final）或静态方法 3.反射调用类（Class.forName("com.example.MyClass") 4.子类初始化时，其父类会先被初始化 5. 作为程序入口的主类（包含main()方法的类） 执行顺序： 1.父类静态变量和静态代码块（按代码顺序执行） 2.子类静态变量和静态代码块（按代码顺序执行） 3.父类实例变量和构造代码块 4.父类构造函数 5.子类实例变量和构造代码块 6.子类构造函数

2.2.2类加载器

在上述类加载过程中，第一个阶段"加载"涉及到JVM中一个非常重要的模块——类加载器。类加载器主要负责根据类的全限定名找到对应的.class文件

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什么是全限定名？ 全限定名指的是包含**包名**在内的**类**的完整名称。例如，假设有一个ArrayList类，属于java.util包，那么它的全限定名就是java.util.ArrayList 类加载器的搜索范围：不同的类加载器负责不同路径的类加载。在JVM中，不算自定义的类加载器，默认的类加载器有三种：

(1) 启动/引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）：加载 `JAVA_HOME/lib` 下的核心类库
（如 `rt.jar`）

注：这里的JAVA_HOME一般指的是JDK的安装路径，如下图

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rt.jar(以JDK8为例)：包含Java标准库，如java.lang，java.util等，至于标准库有哪些在Java语言规范中有明确规定，这里不过多赘述。这些标准库中的类由启动/引导类加载器负责加载。

(2) 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：加载 `JAVA_HOME/lib/ext` 下的扩展类

Java语言规范中没有的类，并且是由JVM开发者添加的类，称为扩展类，这些类由扩展类加载器负责加载。JVM的版本有很多，所以扩展类有哪些和JVM的具体版本有关

(3) 应用类加载器（Application ClassLoader）：加载用户类路径（ClassPath）下的类

一般包括开发者编写的类和第三方依赖库

2.2.3 双亲委派机制(不考虑自定义类加载器)

核心思想：当类加载器收到类加载请求时，不会自行立即加载，而是先将该加载请求委派给父类加载器，最终请求会到达顶层类加载器。

完整过程：

(1)顶层加载器（启动类加载器，Bootstrap ClassLoader）检查JAVA_HOME/lib路径下的核心类库，如果能找到就加载 (2)如果启动类加载器找不到，请求返回给扩展类加载器，检查JAVA_HOME/lib/ext路径下的扩展类，如果能找到就加载 (3)如果扩展类加载器找不到，请求返回给应用类加载器，检查用户类路径下的类 (4)如果所有类加载器均无法加载请求类，则抛出ClassNotFoundException

双亲委派机制的优势：

1. 避免核心类被篡改 安全性：通过优先由启动类加载器加载核心类（如 java.lang.String），确保用户无法定义同名类覆盖核心类 示例：若用户自定义 java.lang.String，JVM 会直接加载核心库中的版本，用户类被忽略 2.防止重复加载 唯一性：每个类由父类优先加载，确保同一个类在多个类加载器中只加载一次 示例：若父类已加载 com.example.MyClass，子类不会再重复加载，避免内存浪费和类冲突 3.天然的类隔离性 隔离性：不同类加载器加载的类属于不同的命名空间，天然隔离。 4.灵活扩展 可定制性：允许子类加载器扩展加载范围（如从网络、数据库加载类），同时不破坏核心类的稳定性

3.小结

下篇博文将继续介绍JVM剩下核心机制——垃圾回收