深入理解Java虛擬機(jī)_動力節(jié)點(diǎn)Java學(xué)院整理

什么是Java虛擬機(jī)

Java程序必須在虛擬機(jī)上運(yùn)行。那么虛擬機(jī)到底是什么呢？先看網(wǎng)上搜索到的比較靠譜的解釋：

虛擬機(jī)是一種抽象化的計(jì)算機(jī)，通過在實(shí)際的計(jì)算機(jī)上仿真模擬各種計(jì)算機(jī)功能來實(shí)現(xiàn)的。Java虛擬機(jī)有自己完善的硬體架構(gòu)，如處理器、堆棧、寄存器等，還具有相應(yīng)的指令系統(tǒng)。JVM屏蔽了與具體操作系統(tǒng)平臺相關(guān)的信息，使得Java程序只需生成在Java虛擬機(jī)上運(yùn)行的目標(biāo)代碼（字節(jié)碼），就可以在多種平臺上不加修改地運(yùn)行。

這種解釋應(yīng)該算是正確的，但是只描述了虛擬機(jī)的外部行為和功能，并沒有針對內(nèi)部原理做出說明。一般情況下我們不需要知道虛擬機(jī)的運(yùn)行原理，只要專注寫java代碼就可以了，這也正是虛擬機(jī)之所以存在的原因--屏蔽底層操作系統(tǒng)平臺的不同并且減少基于原生語言開發(fā)的復(fù)雜性，使java這門語言能夠跨各種平臺（只要虛擬機(jī)廠商在特定平臺上實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)），并且簡單易用。這些都是虛擬機(jī)的外部特性，但是從這些信息來解釋虛擬機(jī)，未免太籠統(tǒng)了，無法讓我們知道內(nèi)部原理。

從進(jìn)程的角度解釋JVM

讓我們嘗試從操作系統(tǒng)的層面來理解虛擬機(jī)。我們知道，虛擬機(jī)是運(yùn)行在操作系統(tǒng)之中的，那么什么東西才能在操作系統(tǒng)中運(yùn)行呢？當(dāng)然是進(jìn)程，因?yàn)檫M(jìn)程是操作系統(tǒng)中的執(zhí)行單位?？梢赃@樣理解，當(dāng)它在運(yùn)行的時(shí)候，它就是一個(gè)操作系統(tǒng)中的進(jìn)程實(shí)例，當(dāng)它沒有在運(yùn)行時(shí)（作為可執(zhí)行文件存放于文件系統(tǒng)中），可以把它叫做程序。

對命令行比較熟悉的同學(xué)，都知道其實(shí)一個(gè)命令對應(yīng)一個(gè)可執(zhí)行的二進(jìn)制文件，當(dāng)敲下這個(gè)命令并且回車后，就會創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，加載對應(yīng)的可執(zhí)行文件到進(jìn)程的地址空間中，并且執(zhí)行其中的指令。下面對比C語言和Java語言的HelloWorld程序來說明問題。

首先編寫C語言版的HelloWorld程序。

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
int main(void) { 
  printf("hello world\n"); 
  return 0; 
} 

編譯C語言版的HelloWorld程序：

1.gcc HelloWorld.c -o HelloWorld  

運(yùn)行C語言版的HelloWorld程序：

1.zhangjg@linux:/deve/workspace/HelloWorld/src$ ./HelloWorld   

2.hello world  

gcc編譯器編譯后的文件直接就是可被操作系統(tǒng)識別的二進(jìn)制可執(zhí)行文件，當(dāng)我們在命令行中敲下 ./HelloWorld這條命令的時(shí)候， 直接創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程， 并且將可執(zhí)行文件加載到進(jìn)程的地址空間中， 執(zhí)行文件中的指令。

作為對比， 我們看一下Java版HelloWord程序的編譯和執(zhí)行形式。

首先編寫源文件HelloWord.java ：

public class HelloWorld { 
  public static void main(String[] args) { 
    System.out.println("HelloWorld"); 
  } 
} 

編譯Java版的HelloWorld程序：

1.zhangjg@linux:/deve/workspace/HelloJava/src$ javac HelloWorld.java   
2.zhangjg@linux:/deve/workspace/HelloJava/src$ ls  
3.HelloWorld.class  HelloWorld.java  

運(yùn)行Java版的HelloWorld程序：

1.zhangjg@linux:/deve/workspace/HelloJava/src$ java -classpath . HelloWorld   

2.HelloWorld  

從上面的過程可以看到， 我們在運(yùn)行Java版的HelloWorld程序的時(shí)候， 敲入的命令并不是 ./HelloWorld.class 。 因?yàn)閏lass文件并不是可以直接被操作系統(tǒng)識別的二進(jìn)制可執(zhí)行文件 。 我們敲入的是java這個(gè)命令。 這個(gè)命令說明， 我們首先啟動的是一個(gè)叫做java的程序， 這個(gè)java程序在運(yùn)行起來之后就是一個(gè)JVM進(jìn)程實(shí)例。 

上面的命令執(zhí)行流程是這樣的：

java命令首先啟動虛擬機(jī)進(jìn)程，虛擬機(jī)進(jìn)程成功啟動后，讀取參數(shù)“HelloWorld”，把他作為初始類加載到內(nèi)存，對這個(gè)類進(jìn)行初始化和動態(tài)鏈接（關(guān)于類的初始化和動態(tài)鏈接會在后面的博客中介紹），然后從這個(gè)類的main方法開始執(zhí)行。也就是說我們的.class文件不是直接被系統(tǒng)加載后直接在cpu上執(zhí)行的，而是被一個(gè)叫做虛擬機(jī)的進(jìn)程托管的。首先必須虛擬機(jī)進(jìn)程啟動就緒，然后由虛擬機(jī)中的類加載器加載必要的class文件，包括jdk中的基礎(chǔ)類（如String和Object等），然后由虛擬機(jī)進(jìn)程解釋class字節(jié)碼指令，把這些字節(jié)碼指令翻譯成本機(jī)cpu能夠識別的指令，才能在cpu上運(yùn)行。

從這個(gè)層面上來看，在執(zhí)行一個(gè)所謂的java程序的時(shí)候，真真正正在執(zhí)行的是一個(gè)叫做Java虛擬機(jī)的進(jìn)程，而不是我們寫的一個(gè)個(gè)的class文件。這個(gè)叫做虛擬機(jī)的進(jìn)程處理一些底層的操作，比如內(nèi)存的分配和釋放等等。我們編寫的class文件只是虛擬機(jī)進(jìn)程執(zhí)行時(shí)需要的“原料”。這些“原料”在運(yùn)行時(shí)被加載到虛擬機(jī)中，被虛擬機(jī)解釋執(zhí)行，以控制虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)我們java代碼中所定義的一些相對高層的操作，比如創(chuàng)建一個(gè)文件等，可以將class文件中的信息看做對虛擬機(jī)的控制信息，也就是一種虛擬指令。

編程語言也有自己的原理， 學(xué)習(xí)一門語言， 主要是把它的原理搞明白。 看似一個(gè)簡單的HelloWorld程序， 也有很多深入的內(nèi)容值得剖析。

JVM體系結(jié)構(gòu)簡介

為了展示虛擬機(jī)進(jìn)程和class文件的關(guān)系，特意畫了下面一張圖：

根據(jù)上圖表達(dá)的內(nèi)容，我們編譯之后的class文件是作為Java虛擬機(jī)的原料被輸入到Java虛擬機(jī)的內(nèi)部的，那么具體由誰來做這一部分工作呢？其實(shí)在Java虛擬機(jī)內(nèi)部，有一個(gè)叫做類加載器的子系統(tǒng)，這個(gè)子系統(tǒng)用來在運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要加載類。注意上面一句話中的“根據(jù)需要”四個(gè)字。在Java虛擬機(jī)執(zhí)行過程中，只有他需要一個(gè)類的時(shí)候，才會調(diào)用類加載器來加載這個(gè)類，并不會在開始運(yùn)行時(shí)加載所有的類。就像一個(gè)人，只有餓的時(shí)候才去吃飯，而不是一次把一年的飯都吃到肚子里。一般來說，虛擬機(jī)加載類的時(shí)機(jī)，在第一次使用一個(gè)新的類的時(shí)候。本專欄后面的文章會具體討論Java中的類加載器。

由虛擬機(jī)加載的類，被加載到Java虛擬機(jī)內(nèi)存中之后，虛擬機(jī)會讀取并執(zhí)行它里面存在的字節(jié)碼指令。虛擬機(jī)中執(zhí)行字節(jié)碼指令的部分叫做執(zhí)行引擎。就像一個(gè)人，不是把飯吃下去就完事了，還要進(jìn)行消化，執(zhí)行引擎就相當(dāng)于人的腸胃系統(tǒng)。在執(zhí)行的過程中還會把各個(gè)class文件動態(tài)的連接起來。關(guān)于執(zhí)行引擎的具體行為和動態(tài)鏈接相關(guān)的內(nèi)容也會在本專欄后續(xù)的文章中進(jìn)行討論。

Java虛擬機(jī)會進(jìn)行自動內(nèi)存管理。具體說來就是自動釋放沒有用的對象，而不需要程序員編寫代碼來釋放分配的內(nèi)存。這部分工作由垃圾收集子系統(tǒng)負(fù)責(zé)。

從上面的論述可以知道， 一個(gè)Java虛擬機(jī)實(shí)例在運(yùn)行過程中有三個(gè)子系統(tǒng)來保障它的正常運(yùn)行，分別是類加載器子系統(tǒng)， 執(zhí)行引擎子系統(tǒng)和垃圾收集子系統(tǒng)。 如下圖所示：

虛擬機(jī)的運(yùn)行，必須加載class文件，并且執(zhí)行class文件中的字節(jié)碼指令。它做這么多事情，必須需要自己的空間。就像人吃下去的東西首先要放在胃中。虛擬機(jī)也需要空間來存放個(gè)中數(shù)據(jù)。首先，加載的字節(jié)碼，需要一個(gè)單獨(dú)的內(nèi)存空間來存放；一個(gè)線程的執(zhí)行，也需要內(nèi)存空間來維護(hù)方法的調(diào)用關(guān)系，存放方法中的數(shù)據(jù)和中間計(jì)算結(jié)果；在執(zhí)行的過程中，無法避免的要創(chuàng)建對象，創(chuàng)建的對象需要一個(gè)專門的內(nèi)存空間來存放。關(guān)于虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容，也會出現(xiàn)在本專欄后續(xù)的文章中。虛擬機(jī)的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)大概可以分成下圖所示的幾個(gè)部分。(這里只是大概劃分， 并沒有劃分的很精細(xì))

總結(jié)

寫到這里，基本上關(guān)于我對java虛擬機(jī)的理解就寫完了。這篇文章的主題雖然是深入理解Java虛擬機(jī)，但是你可能感覺一點(diǎn)也不“深入”，也只是泛泛而談。我也有這樣的感覺。限于自己水平有限，也只能這樣了，要是想深入理解java虛擬機(jī)，強(qiáng)烈建議讀一下三本書：

《深入Java虛擬機(jī)》

《深入理解Java虛擬機(jī)JVM高級特性與最佳實(shí)踐》

《Java虛擬機(jī)規(guī)范》

其實(shí)我也讀過這幾本書，但是它們對虛擬機(jī)的解釋也是基于一個(gè)外部模型，而沒有深入剖析虛擬機(jī)內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)原理。虛擬機(jī)是一個(gè)大而復(fù)雜的東西，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的人都是大牛級別的，如果不是參與過虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)該很少有人能把它參透。本專欄后面的一些文章也參考了這三本書， 雖然講解Java語法的書不計(jì)其數(shù)， 但是深入講解虛擬機(jī)的書， 目前為止我就見過這三本，并且網(wǎng)上的資料也不是很多。

最后做一個(gè)總結(jié)：

1 虛擬機(jī)并不神秘，在操作系統(tǒng)的角度看來，它只是一個(gè)普通進(jìn)程。

2 這個(gè)叫做虛擬機(jī)的進(jìn)程比較特殊，它能夠加載我們編寫的class文件。如果把JVM比作一個(gè)人，那么class文件就是我們吃的食物。

3 加載class文件的是一個(gè)叫做類加載器的子系統(tǒng)。就好比我們的嘴巴，把食物吃到肚子里。

4 虛擬機(jī)中的執(zhí)行引擎用來執(zhí)行class文件中的字節(jié)碼指令。就好比我們的腸胃，對吃進(jìn)去的食物進(jìn)行消化。

5 虛擬機(jī)在執(zhí)行過程中，要分配內(nèi)存創(chuàng)建對象。當(dāng)這些對象過時(shí)無用了，必須要自動清理這些無用的對象。清理對象回收內(nèi)存的任務(wù)由垃圾收集器負(fù)責(zé)。就好比人吃進(jìn)去的食物，在消化之后，必須把廢物排出體外，騰出空間可以在下次餓的時(shí)候吃飯并消化食物。