Java 虛擬機工作原理詳解

一、類加載器 首先來看一下 java 程序的執(zhí)行過程。

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從這個框圖很容易大體上了解 java 程序工作原理。首先，你寫好 java 代碼，保存到硬盤當中。然后你在命令行中輸入

javac YourClassName.java

此時，你的 java 代碼就被編譯成字節(jié)碼（.class).如果你是在 Eclipse IDE 或者其他開發(fā)工具中，你保存代碼的時候，開發(fā)工具已經(jīng)幫你完成了上述的編譯工作，因此你可以在對應(yīng)的目錄下看到 class 文件。此時的 class 文件依然是保存在硬盤中，因此，當你在命令行中運行

java YourClassName

就完成了上面紅色方框中的工作。JRE 的來加載器從硬盤中讀取 class 文件，載入到系統(tǒng)分配給 JVM 的內(nèi)存區(qū)域--運行數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Areas). 然后執(zhí)行引擎解釋或者編譯類文件，轉(zhuǎn)化成特定 CPU 的機器碼，CPU 執(zhí)行機器碼，至此完成整個過程。

接下來就重點研究一下類加載器究竟為何物？又是如何工作的？ 首先看一下來加載器的一些特點，有點抽象，不過總有幫助的。

》》層級結(jié)構(gòu) 類加載器被組織成一種層級結(jié)構(gòu)關(guān)系，也就是父子關(guān)系。其中，Bootstrap 是所有類加載器的父親。如下圖所示：

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--Bootstrap class loader： 當運行 java 虛擬機時，這個類加載器被創(chuàng)建，它加載一些基本的 java API，包括 Object 這個類。需要注意的是，這個類加載器不是用 java 語言寫的，而是用 C/C++ 寫的。 --Extension class loader: 這個加載器加載出了基本 API 之外的一些拓展類，包括一些與安全性能相關(guān)的類。（目前了解得不是很深，只能籠統(tǒng)說，待日后再詳細說明） --System Class Loader: 它加載應(yīng)用程序中的類，也就是在你的 classpath 中配置的類。 --User-Defined Class Loader: 這是開發(fā)人員通過拓展 ClassLoader 類定義的自定義加載器，加載程序員定義的一些類。

》》委派模式（Delegation Mode） 仔細看上面的層次結(jié)構(gòu)，當 JVM 加載一個類的時候，下層的加載器會將將任務(wù)委托給上一層類加載器，上一層加載檢查它的命名空間中是否已經(jīng)加載這個類，如果已經(jīng)加載，直接使用這個類。如果沒有加載，繼續(xù)往上委托直到頂部。檢查完了之后，按照相反的順序進行加載，如果 Bootstrap 加載器找不到這個類，則往下委托，直到找到類文件。對于某個特定的類加載器來說，一個 Java 類只能被載入一次，也就是說在 Java 虛擬機中，類的完整標識是（classLoader，package，className）。一個雷可以被不同的類加載器加載。

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舉個具體的例子來說明，現(xiàn)在加入我有一個自己定義的類 MyClass 需要加載，如果不指定的話，一般交 App（System）加載。接到任務(wù)后，System 檢查自己的庫里是否已經(jīng)有這個類，發(fā)現(xiàn)沒有之后委托給 Extension，Extension 進行同樣的檢查，發(fā)現(xiàn)還是沒有繼續(xù)往上委托，最頂層的 Boots 發(fā)現(xiàn)自己庫里也沒有，于是根據(jù)它的路徑（Java 核心類庫，如 java.lang）嘗試去加載，沒找到這個 MaClass 類，于是只好（人家看好你，交給你完成，你無能為力，只好交給別人啦）往下委托給 Extension，Extension 到自己的路徑（JAVA_HOME/jre/lib/ext)是找，還是沒找到，繼續(xù)往下，此時 System 加載器到 classpath 路徑尋找，找到了，于是加載到 Java 虛擬機。 現(xiàn)在假設(shè)我們將這個類放到 JAVA_HOME/jre/lib/ext 這個路徑中去（相當于交給 Extension 加載器加載），按照同樣的規(guī)則，最后由 Extension 加載器加載 MyClass 類，看到了吧，統(tǒng)一各類被兩次加載到 JVM，但是每次都是由不同的 ClassLoader 完成。

》》可見性限制 下層的加載器能夠看到上層加載器中的類，反之則不行，也就是是說委托只能從下到上。

》》不允許卸載類 類加載器可以加載一個類，但是它不能卸載一個類。但是類加載器可以被刪除或者被創(chuàng)建。

當類加載完畢之后，JVM 繼續(xù)按照下圖完成其他工作：

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框圖中各個步驟簡單介紹如下： Loading：文章前面介紹的類加載，將文件系統(tǒng)中的 Class 文件載入到 JVM 內(nèi)存（運行數(shù)據(jù)區(qū)域） Verifying：檢查載入的類文件是否符合 Java 規(guī)范和虛擬機規(guī)范。 Preparing：為這個類分配所需要的內(nèi)存，確定這個類的屬性、方法等所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。（Prepare a data structure that assigns the memory required by classes and indicates the fields, methods, and interfaces defined in the class.） Resolving：將該類常量池中的符號引用都改變?yōu)橹苯右谩＃ú皇呛芾斫猓?Initialing：初始化類的局部變量，為靜態(tài)域賦值，同時執(zhí)行靜態(tài)初始化塊。

那么，Class Loader 在加載類的時候，究竟做了些什么工作呢？ 要了解這其中的細節(jié)，必須得先詳細介紹一下運行數(shù)據(jù)區(qū)域。

二、運行數(shù)據(jù)區(qū)域 Runtime Data Areas：當運行一個 JVM 示例時，系統(tǒng)將分配給它一塊內(nèi)存區(qū)域（這塊內(nèi)存區(qū)域的大小可以設(shè)置的），這一內(nèi)存區(qū)域由 JVM 自己來管理。從這一塊內(nèi)存中分出一塊用來存儲一些運行數(shù)據(jù)，例如創(chuàng)建的對象，傳遞給方法的參數(shù)，局部變量，返回值等等。分出來的這一塊就稱為運行數(shù)據(jù)區(qū)域。運行數(shù)據(jù)區(qū)域可以劃分為6大塊：Java 棧、程序計數(shù)寄存器（PC 寄存器）、本地方法棧（Native Method Stack）、Java 堆、方法區(qū)域、運行常量池（Runtime Constant Pool）。運行常量池本應(yīng)該屬于方法區(qū)，但是由于其重要性，JVM 規(guī)范將其獨立出來說明。其中，前面3各區(qū)域（PC 寄存器、Java 棧、本地方法棧）是每個線程獨自擁有的，后三者則是整個 JVM 實例中的所有線程共有的。這六大塊如下圖所示：

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》PC 計數(shù)器： 每一個線程都擁有一個 PC 計數(shù)器，當線程啟動（start）時，PC 計數(shù)器被創(chuàng)建，這個計數(shù)器存放當前正在被執(zhí)行的字節(jié)碼指令（JVM 指令）的地址。 》Java 棧： 同樣的，Java 棧也是每個線程單獨擁有，線程啟動時創(chuàng)建。這個棧中存放著一系列的棧幀（Stack Frame），JVM 只能進行壓入（Push）和彈出（Pop）棧幀這兩種操作。每當調(diào)用一個方法時，JVM 就往棧里壓入一個棧幀，方法結(jié)束返回時彈出棧幀。如果方法執(zhí)行時出現(xiàn)異常，可以調(diào)用 printStackTrace 等方法來查看棧的情況。棧的示意圖如下：

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OK。現(xiàn)在我們再來詳細看看每一個棧幀中都放著什么東西。從示意圖很容易看出，每個棧幀包含三個部分：本地變量數(shù)組，操作數(shù)棧，方法所屬類的常量池引用。 》局部（本地）變量數(shù)組： 局部（本地）變量數(shù)組中，從0開始按順序存放方法所屬對象的引用、傳遞給方法的參數(shù)、局部變量。舉個例子：

public void doSomething(int a, double b, Object o) {
...
}

這個方法的棧幀中的局部變量存儲的內(nèi)容分別是：

0: this
1: a
2,3:b
4:0

看仔細了，其中 double 類型的 b 需要兩個連續(xù)的索引。取值的時候，取出的是2這個索引中的值。如果是靜態(tài)方法，則數(shù)組第0個不存放 this 引用，而是直接存儲傳遞的參數(shù)。 》操作數(shù)棧： 操作數(shù)棧中存放方法執(zhí)行時的一些中間變量，JVM 在執(zhí)行方法時壓入或者彈出這些變量。其實，操作數(shù)棧是方法真正工作的地方，執(zhí)行方法時，局部變量數(shù)組與操作數(shù)棧根據(jù)方法定義進行數(shù)據(jù)交換。例如，執(zhí)行以下代碼時，操作數(shù)棧的情況如下：

int a = 90;
int b = 10;
int c = a + b;

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注意在這個圖中，操作數(shù)棧的地步是在上邊，所以先壓入的100位于上方?？梢钥闯觯僮鲾?shù)棧其實是一個數(shù)據(jù)臨時存儲區(qū)，存放一些中間變量，方法結(jié)束了，操作數(shù)棧也就沒有啦。 》棧幀中數(shù)據(jù)引用： 除了局部變量數(shù)組和操作數(shù)棧之外，棧幀還需要一個常量池的引用。當 JVM 執(zhí)行到需要常量池的數(shù)據(jù)時，就是通過這個引用來訪問常量池的。棧幀中的數(shù)據(jù)還要負責處理方法的返回和異常。如果通過 return 返回，則將該方法的棧幀從 Java 棧中彈出。如果方法有返回值，則將返回值壓入到調(diào)用該方法的方法的操作數(shù)棧中。另外，數(shù)據(jù)區(qū)中還保存中該方法可能的異常表的引用。下面的例子用來說明：

class Example3C{
    public static void addAndPrint(){
        double result = addTwoTypes(1,88.88);
        System.out.println(result);
    }
    public static double addTwoTypes(int i, double d){
    return i+d;
    }

}

執(zhí)行上述代碼時，Java 棧如下圖所示：

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花些時間好好研究上圖。一樣需要注意的是，棧的底部在上方，先押人員 addAndPrint 方法的棧幀，再壓入 addTwoTypes 方法的棧幀。上圖最右邊的文字說明有錯誤，應(yīng)該是 addTwoTypes 的執(zhí)行結(jié)果存放在 addAndPrint 的操作數(shù)棧中。 》》本地方法棧 當程序通過 JNI（Java Native Interface）調(diào)用本地方法（如 C 或者 C++ 代碼）時，就根據(jù)本地方法的語言類型建立相應(yīng)的棧。 》》方法區(qū)域 方法區(qū)域是一個 JVM 實例中的所有線程共享的，當啟動一個 JVM 實例時，方法區(qū)域被創(chuàng)建。它用于存運行放常量池、有關(guān)域和方法的信息、靜態(tài)變量、類和方法的字節(jié)碼。不同的 JVM 實現(xiàn)方式在實現(xiàn)方法區(qū)域的時候會有所區(qū)別。Oracle 的 HotSpot 稱之為永久區(qū)域（Permanent Area）或者永久代（Permanent Generation）。 》》運行常量池 這個區(qū)域存放類和接口的常量，除此之外，它還存放方法和域的所有引用。當一個方法或者域被引用的時候，JVM 就通過運行常量池中的這些引用來查找方法和域在內(nèi)存中的的實際地址。 》》堆（Heap） 堆中存放的是程序創(chuàng)建的對象或者實例。這個區(qū)域?qū)?JVM 的性能影響很大。垃圾回收機制處理的正是這一塊內(nèi)存區(qū)域。 所以，類加載器加載其實就是根據(jù)編譯后的 Class 文件，將 java 字節(jié)碼載入 JVM 內(nèi)存，并完成對運行數(shù)據(jù)處于的初始化工作，供執(zhí)行引擎執(zhí)行。

三、 執(zhí)行引擎（Execution Engine） 類加載器將字節(jié)碼載入內(nèi)存之后，執(zhí)行引擎以 Java 字節(jié)碼指令為但愿，讀取 Java 字節(jié)碼。問題是，現(xiàn)在的 java 字節(jié)碼機器是讀不懂的，因此還必須想辦法將字節(jié)碼轉(zhuǎn)化成平臺相關(guān)的機器碼。這個過程可以由解釋器來執(zhí)行，也可以有即時編譯器（JIT Compiler）來完成。

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