jvm工作原理

一、 JVM的生命周期

  1. JVM实例对应了一个独立运行的java程序它是进程级别
    a) 启动。启动一个Java程序时,一个JVM实例就产生了,任何一个拥有public static void main(String[] args)函数的class都可以作为JVM实例运行的起点
    b) 运行。main()作为该程序初始线程的起点,任何其他线程均由该线程启动。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
    自己使用,java程序也可以标明自己创建的线程是守护线程
    c) 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
  2. JVM执行引擎实例则对应了属于用户运行程序的线程它是线程级别的

二、 JVM的体系结构

jvm体系结构

  1. 类装载器(ClassLoader)(用来装载.class文件)
  2. 执行引擎(执行字节码,或者执行本地方法)
  3. 运行时数据区(方法区、堆、java栈、PC寄存器、本地方法栈)

三、 JVM类加载器

JVM整个类加载过程的步骤:

  1. 装载
    装载过程负责找到二进制字节码并加载至JVM中,JVM通过类名、类所在的包名通过ClassLoader来完成类的加载,
    同样,也采用以上三个元素来标识一个被加载了的类:类名+包名+ClassLoader实例ID。
  2. 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以及解析类中调用的接口、类。
    完成校验后,JVM初始化类中的静态变量,并将其值赋为默认值。
    最后对类中的所有属性、方法进行验证,以确保其需要调用的属性、方法存在,以及具备应的权限(例如public、private域权限等),
    会造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等错误信息。
  3. 初始化
    初始化过程即为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,在四种情况下初始化过程会被触发执行:
    调用了new;
    反射调用了类中的方法;
    子类调用了初始化;
    JVM启动过程中指定的初始化类。

VM类加载顺序:
jvm加载顺序
JVM两种类装载器包括:启动类装载器和用户自定义类装载器。
启动类装载器是JVM实现的一部分;
用户自定义类装载器则是Java程序的一部分,必须是ClassLoader类的子类。
JVM装载顺序:
Jvm启动时,由Bootstrap向User-Defined方向加载类;
应用进行ClassLoader时,由User-Defined向Bootstrap方向查找并加载类;

  1. Bootstrap ClassLoaderzh
    这是JVM的根ClassLoader,它是用C++实现的,JVM启动时初始化此ClassLoader,并由此ClassLoader完成$JAVA_HOME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。
  2. Extension ClassLoader
    JVM用此classloader来加载扩展功能的一些jar包。
  3. System 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。
  4. User-Defined ClassLoader
    User-DefinedClassLoader是Java开发人员继承ClassLoader抽象类自行实现的ClassLoader,基于自定义的ClassLoader可用于加载非Classpath中的jar以及目录。

ClassLoader抽象类的几个关键方法:
(1) loadClass
此方法负责加载指定名字的类,ClassLoader的实现方法为先从已经加载的类中寻找,如没有则继续从parent ClassLoader中寻找,
如仍然没找到,则从System ClassLoader中寻找,最后再调用findClass方法来寻找,如要改变类的加载顺序,则可覆盖此方法
(2) findLoadedClass
此方法负责从当前ClassLoader实例对象的缓存中寻找已加载的类,调用的为native的方法。
(3) findClass
此方法直接抛出ClassNotFoundException,因此需要通过覆盖loadClass或此方法来以自定义的方式加载相应的类。
(4) findSystemClass
此方法负责从System ClassLoader中寻找类,如未找到,则继续从Bootstrap ClassLoader中寻找,如仍然为找到,则返回null。
(5) defineClass
此方法负责将二进制的字节码转换为Class对象
(6) resolveClass
此方法负责完成Class对象的链接,如已链接过,则会直接返回。

四、 JVM执行引擎

在执行方法时JVM提供了四种指令来执行:
(1)invokestatic:调用类的static方法
(2)invokevirtual:调用对象实例的方法
(3)invokeinterface:将属性定义为接口来进行调用
(4)invokespecial:JVM对于初始化对象(Java构造器的方法为:)以及调用对象实例中的私有方法时。

主要的执行技术有:
解释,即时编译,自适应优化、芯片级直接执行
(1)解释属于第一代JVM,
(2)即时编译JIT属于第二代JVM,
(3)自适应优化(目前Sun的HotspotJVM采用这种技术)则吸取第一代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取解释执行的方式,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,则取消编译过的代码,仍对其进行解释执行。

五、 JVM运行时数据区


第一块:PC寄存器
PC寄存器是用于存储每个线程下一步将执行的JVM指令,如该方法为native的,则PC寄存器中不存储任何信息。
第二块: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栈中存放的为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上的地址
第三块: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。

(1) 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,这也导致了new对象的开销是比较大的
(2) Sun Hotspot JVM为了提升对象内存分配的效率,对于所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在给线程的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基本是一样高效的,但如果对象过大的话则仍然是直接使用堆空间分配
(3) 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。
第四块:方法区域(Method Area)
(1)在Sun JDK中这块区域对应的为PermanetGeneration,又称为持久代。
(2)方法区域存放了所加载的类的信息(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、isInterface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,在一定的条件下它也会被GC,
当方法区域需要使用的内存超过其允许的大小时,会抛出OutOfMemory的错误信息。
第五块:运行时常量池(Runtime Constant Pool)
存放的为类中的固定的常量信息、方法和Field的引用信息等,其空间从方法区域中分配。
第六块:本地方法堆栈(Native Method Stacks)
JVM采用本地方法堆栈来支持native方法的执行,此区域用于存储每个native方法调用的状态。

六、 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在对对象的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
(1)对新生代的对象的收集称为minor GC;
(2)对旧生代的对象的收集称为Full GC;
(3)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,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(只有在内存不够用的情况下才会被GC)
(3)弱引用:在GC时一定会被GC回收
(4)虚引用:由于虚引用只是用来得知对象是否被GC

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