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JVM是什么?JVM是如何实现的?JVM原理深度解析!

作者/来源:新睿云小编 发布时间:2019-11-07

一、JVM是什么?

jvm

首先我们来了解下JVM是什么?JVM是Java Virtual Machine的缩写,即Java虚拟机,JVM是一种用于计算设备的规范,它是一个虚构出来的计算机。

二、JVM是如何实现的?

其次我们了解下JVM是如何实现的?JVM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虚拟机本质上就是一个程序,当它在命令行上启动的时候,就开始执行保存在某字节码文件中的指令。Java语言的可移植性正是建立在Java虚拟机的基础上。任何平台只要装有针对于该平台的Java虚拟机,字节码文件(.class)就可以在该平台上运行。这就是“一次编译,多次运行”。

三、JVM原理深度解析

在了解了JVM是什么及JVM如何实现的之后,新睿云为你深度解析JVM原理。

java 体系结构介绍:

java 体系结构

Class Loader(类加载器):用于装载.class文件。

Execution Engine(执行引擎):用于执行字节码或者本地方法。

运行时数据区:方法区、堆、java栈、pc寄存器、本地方法栈。

1、JVM生命周期介绍

Java实例对应一个独立运行的Java程序(进程级别

(1)启动

启动一个Java程序,一个JVM实例就产生。拥有public static void main(String[] args)函数的class可以作为JVM实例运行的起点。

(2)运行

main()作为程序初始线程的起点,任何其他线程均可由该线程启动。JVM内部有两种线程:守护线程和非守护线程,main()属于非守护线程,守护线程通常由JVM使用,程序可以指定创建的线程为守护线程。

(3)消亡

当程序中的所有非守护线程都终止时,JVM才退出;若安全管理器允许,程序也可以使用Runtime类或者System.exit()来退出。

JVM执行引擎实例则对应了属于用户运行程序线程它是线程级别的。

2、Java类加载器

Java加载类的过程

Java加载类的过程

(1)装载(loading)

负责找到二进制字节码并加载至JVM中,JVM通过类名、类所在的包名、ClassLoader完成类的加载。因此,标识一个被加载了的类:类名 + 包名 + ClassLoader实例ID。

(2)链接(linking)

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以及解析类中调用的接口。完成校验后,JVM初始化类中的静态变量,并将其赋值为默认值。最后对比类中的所有属性、方法进行验证,以确保要调用的属性、方法存在,以及具备访问权限(例如private、public等),否则会造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等错误信息。

(3)初始化(initializing)

负责执行类中的静态初始化代码、构造器代码以及静态属性的初始化,以下四种情况初始化过程会被触发。

①调用 new

②反射调用了类中的方法

③子类调用了初始化

④JVM启动过程终止定的初始化类

JVM类加载顺序

(1)层级结构

JVM类加载顺序1

①Booststrap ClassLoader

跟ClassLoader,C++实现,JVM启动时初始化此ClassLoader,并由此完成$JAVA_HONE中jre/lib/rt.jar(Sun JDK的实现)中所有class文件的加载,这个jar中包含了java规范定义的所有接口以及实现。

②Extension ClassLoader

JVM用此classloader来加载扩展功能的一些jar包

③System ClassLoader

JVM用此ClassLoader来加载启动参数中指定的ClassPath中的jar包以及目录,在Sun JDK中ClassLoader对应的类名为AppClassLoader。

④User-Defined ClassLoader

User-Defined ClassLoader是Java开发人员继承ClassLoader抽象类实现的ClassLoader,基于自定义的ClassLoader可用于加载非ClassPath中的jar以及目录。

(2)委派模式(Delegation Mode)

JVM类加载顺序2

当JVM加载一个类的时候,下层的加载器会将任务给上一层类加载器,上一层加载检查它的命名空间中是否已经加载这个类,如果已经加载,直接使用这个类。如果没有加载,继续往上委托直到顶部。检查之后,按照相反的顺序进行加载。如果Bootstrap加载器不到这个类,则往下委托,直到找到这个类。一个类可以被不同的类加载器加载。

可见性限制:下层的加载器能够看到上层加载器中的类,反之则不行,委派只能从下到上

不允许卸载类:类加载器可以加载一个类,但不能够卸载一个类。但是类加载器可以被创建或者删除。

(3)JVM执行引擎

类加载器将字节码载入内存后,执行引擎以java字节码为单元,读取java字节码。java字节码机器读不懂,必须将字节码转化为平台相关的机器码。这个过程就是由执行引擎完成的。

JVM执行引擎

在执行方法时JVM提供了四种指令来执行

①invokestatic:调用类的static方法。

②invokevirtual:调用对象实例的方法。

③invokeinterface:将属性定义为接口来进行调用。

④invokespecial:JVM对于初始化对象(Java构造器的方法为:)以及调用对象实例的私有方法时。

主要的执行计数:

解释,即时执行,自适应优化、芯片级直接执行。

解释属于第一代JVM

即时编译JIT属于第二代JVM

自适应优化(目前sun的HotspotJVM采用这种技术),吸取第一代JVM和第二代JVM的经验,采用两者结合的方式,开始对所有的代码都采用解释执行的方式,并监视代码执行情况,然后对那些经常调用的方法启动一个后台线程,将其编译为本地代码,并进行优化。若方法不再频繁使用,则取消编译过代码,仍对其进行解释执行。

3、java运行时数据区

java运行时数据区

4、PC寄存器

用于存储每个线程下一步将要执行的JVM指令,若该方法为native的,则PC寄存器中不存储任何信息。Java多线程情况下,每个线程都有一个自己的PC,以便完成不同线程上下文环境的切换。

5、JVM栈

JVM栈是线程私有的,每个线程创建的同时都会创建JVM栈,JVM栈中存放当前线程中局部基本类型的变量(Java中定义的八种基本类型:boolean、char、byte、short、int、long、float、double)、部分的返回结果以及Stack Frame,非基本类型的对象在JVM栈上仅存放一个指向堆的地址。

6、堆(Heap)

它是JVM用来存储对象实例以及数组值的区域,可以认为Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配,Heap中的对象的内存需要等待GC进行回收。

堆在JVM启动的时候就被创建,堆中储存了各种对象,这些对象被自动管理内存系统(Automatic Storage Management System),也就是常说的“Garbage Collector(垃圾回收器)”管理。这些对象无需、也无法显示地被销毁。

JVM将Heap分为两块:新生代New Generation和旧生代Old Generation

JVM将Heap分为两块

堆是JVM中所有线程共享的,因此在其上进行对象内存的分配均需要进行加锁,导致new对象的开销比较大。

Sun Hotspot JVM为了提升对象内存分配的效率,对于所有创建的线程都会分配一块独立的空间TLAB(Thread Local Allocation Buffer),其大小由JVM根据运行的情况计算而得,在TLAB上分配对象时不需要加锁,因此JVM在给线程对象分配内存时会尽量的在TLAB上分配,在这种情况下JVM中分配对象内存的性能和C基本是一样的,但如果对象过大的话则仍然要直接使用堆空间分配。

TLAB仅作用于新生代的Eden Space,因此在编写Java程序时,通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效。

所有新创建的Object都将会存储在新生代Young Generation中。如果Young Generation的数据在一次或多次GC后存活下来,那么将被转移到OldGeneration。新的Object总是创建在Eden Space。

7、方法区域(Method Area)

在Sun JDK中这块区域对应的为PermanetGeneration,又称为持久代。

方法区域存放所加载类的信息(名称、修饰符等)、类中的静态变量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息,当开发人员在程序中通过Class对象中的getName,isInstance等方法来获取信息时,这些数据都来源于方法区域,同时方法区域也是全局共享的,在一定条件下它也会被GC,当方法区域需要使用的内存超过其允许的大小时,就会抛出OutOfMemory的错误信息。

8、运行时常量池(Runtime Constant Pool)

存放的为类中的固定常量信息、方法和Field的引用信息等,其空间从方法区域中分配。

9、本地方法堆栈(Native Method Stacks)

JVM采用本地方法堆来支持native方法的执行,此区域用于存储每个native方法调用的状态。

10、JVM垃圾回收

GC的基本原理:将内存中不再被使用的对象进行回收,GC中用于回收的方法称为收集器,由于GC需要消耗一些资源和时间,Java在对对象生命周期特征进行分析后,按照新生代、旧生代的方式来对对象进行收集,以尽可能的缩短GC对应用造成的暂停。

对新生代的对象收集称为minor GC

对旧生代的对象收集称为Full GC

程序中主动调用System.gc()强制执行的GC为Full GC。

不同的对象引用类型,GC会采用不同的方法进行回收,JVM对象的引用分为了四种类型

①强引用:默认情况下,对象采用的均为强引用(这个对象的实例没有其他对象引用时, GC时才会被回收)

②软引用:软引用是Java中提供的一种比较适合于缓存场景的应用(只有内存不够的情况下才会被GC)

③弱引用:在GC时一定会被GC回收。

④虚引用:虚引用只是用来得知对象是否被GC。

本文部分内容来源于掘金。

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