Java虛擬機(jī)工作原理

首先我想從宏觀上介紹一下Java虛擬機(jī)的工作原理。從最初的我們編寫的Java源文件（.java文件）是如何一步步執(zhí)行的，如下圖所示，首先Java源文件經(jīng)過前端編譯器（javac或ECJ）將.java文件編譯為Java字節(jié)碼文件，然后JRE加載Java字節(jié)碼文件，載入系統(tǒng)分配給JVM的內(nèi)存區(qū)，然后執(zhí)行引擎解釋或編譯類文件，再由即時(shí)編譯器將字節(jié)碼轉(zhuǎn)化為機(jī)器碼。主要介紹下圖中的類加載器和運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)兩個(gè)部分。

類加載

類加載指將類的字節(jié)碼文件（.class）中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，將其放在運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的方法區(qū)內(nèi)，然后在堆上創(chuàng)建java.lang.Class對(duì)象，封裝類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。類加載的最終產(chǎn)品是位于堆中的類對(duì)象，類對(duì)象封裝了類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且向JAVA程序提供了訪問方法區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的接口。如下是類加載器的層次關(guān)系圖。

啟動(dòng)類加載器（BootstrapClassLoader）：在JVM運(yùn)行時(shí)被創(chuàng)建，負(fù)責(zé)加載存放在JDK安裝目錄下的jre\lib的類文件，或者被-Xbootclasspath參數(shù)指定的路徑中，并且能被虛擬機(jī)識(shí)別的類庫（如rt.jar，所有的java.*開頭的類均被Bootstrap ClassLoader加載）。啟動(dòng)類無法被JAVA程序直接引用。

擴(kuò)展類加載器（Extension ClassLoader）：該類加載器負(fù)責(zé)加載JDK安裝目錄下的\jre\lib\ext的類，或者由java.ext.dirs系統(tǒng)變量指定路徑中的所有類庫，開發(fā)者也可以直接使用擴(kuò)展類加載器。

應(yīng)用程序類加載器（AppClassLoader）：負(fù)責(zé)加載用戶類路徑（Classpath）所指定的類，開發(fā)者可以直接使用該類加載器，如果應(yīng)用程序中沒有定義過自己的類加載器，該類加載器為默認(rèn)的類加載器。

用戶自定義類加載器（User ClassLoader）：JVM自帶的類加載器是從本地文件系統(tǒng)加載標(biāo)準(zhǔn)的java class文件，而自定義的類加載器可以做到在執(zhí)行非置信代碼之前，自動(dòng)驗(yàn)證數(shù)字簽名，動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建符合用戶特定需要的定制化構(gòu)建類，從特定的場所（數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)中）取得java class。

注意如上的類加載器并不是通過繼承的方式實(shí)現(xiàn)的，而是通過組合的方式實(shí)現(xiàn)的。而JAVA虛擬機(jī)的加載模式是一種委派模式，如上圖中的1-7步所示。下層的加載器能夠看到上層加載器中的類，反之則不行。類加載器可以加載類但是不能卸載類。說了一大堆，還是感覺需要拿點(diǎn)代碼說事。

首先我們先定義自己的類加載器MyClassLoader，繼承自ClassLoader，并覆蓋了父類的findClass(String name)方法，如下：

public class MyClassLoader extends ClassLoader{
 private String loaderName; //類加載器名稱
 private String path = ""; //加載類的路徑
 private final String fileType = ".class";
 public MyClassLoader(String name){
  super(); //應(yīng)用類加載器為該類的父類
  this.loaderName = name;
 }
 public MyClassLoader(ClassLoader parent,String name){
  super(parent);
  this.loaderName = name;
 }
 public String getPath(){return this.path;}
 public void setPath(String path){this.path = path;}
 @Override
 public String toString(){return this.loaderName;}
 @Override
 public Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException{
  byte[] data = loaderClassData(name);
  return this.defineClass(name, data, 0, data.length);
 }
 //讀取.class文件
 private byte[] loaderClassData(String name){
  InputStream is = null;
  byte[] data = null;
  ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
  try {
   is = new FileInputStream(new File(path + name + fileType));
   int c = 0;
   while(-1 != (c = is.read())){
    baos.write(c);
   }
   data = baos.toByteArray();
  } catch (Exception e) {
   e.printStackTrace();
  } finally{
   try {
    if(is != null)
     is.close();
    if(baos != null)
     baos.close();
   } catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
   }
  }
  return data;
 }
}

我們?nèi)绾卫梦覀兌x的類加載器加載指定的字節(jié)碼文件（.class）呢？如通過MyClassLoader加載C:\\Users\\Administrator\\下的Test.class字節(jié)碼文件，代碼如下所示：

public class Client {
 public static void main(String[] args) {
  // TODO Auto-generated method stub  
  //MyClassLoader的父類加載器為系統(tǒng)默認(rèn)的加載器AppClassLoader
  MyClassLoader myCLoader = new MyClassLoader("MyClassLoader");
  //指定MyClassLoader的父類加載器為ExtClassLoader
  //MyClassLoader myCLoader = new MyClassLoader(ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent(),"MyClassLoader");
  myCLoader.setPath("C:\\Users\\Administrator\\");
  Class<?> clazz;
  try {
   clazz = myCLoader.loadClass("Test");
   Field[] filed = clazz.getFields(); //獲取加載類的屬性字段
   Method[] methods = clazz.getMethods(); //獲取加載類的方法字段
   System.out.println("該類的類加載器為：" + clazz.getClassLoader());
   System.out.println("該類的類加載器的父類為:" + clazz.getClassLoader().getParent());
   System.out.println("該類的名稱為：" + clazz.getName());
  } catch (ClassNotFoundException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  }
 }
}

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

字節(jié)碼的加載第一步，其后分別是認(rèn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化，那么這些步驟又具體做了哪些工作，以及他們會(huì)對(duì)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)纏身什么影響呢？如下圖所示：

如下我們將介紹運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，主要分為方法區(qū)、Java堆、虛擬機(jī)棧、本地方法棧、程序計(jì)數(shù)器。其中方法區(qū)和Java堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，而虛擬機(jī)棧、本地方法棧、程序計(jì)數(shù)器是線程私有的內(nèi)存區(qū)。

Java堆：Java堆是Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊，被進(jìn)程的所有線程共享，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)被創(chuàng)建。該區(qū)域的唯一目的就是存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存，隨著JIT編譯器的發(fā)展與逃逸分支技術(shù)逐漸成熟，棧上分配、標(biāo)量替換等優(yōu)化技術(shù)使得對(duì)象在堆上的分配內(nèi)存變得不是那么“絕對(duì)”。Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域。由于現(xiàn)在的收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中還可以分為老年代和新生代(Eden、From Survivor、To Survivor)。根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范，Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間，只要邏輯上連續(xù)即可。該區(qū)域的大小可以通過-Xmx和-Xms參數(shù)來擴(kuò)展，如果堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無法擴(kuò)展，將會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

方法區(qū)：用于存儲(chǔ)被Java虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。不同于Java堆的是，Java虛擬機(jī)規(guī)范對(duì)方法區(qū)的限制非常寬松，可以選擇不實(shí)現(xiàn)垃圾收集。但并非數(shù)據(jù)進(jìn)入了方法區(qū)就“永久”存在了，這區(qū)域內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對(duì)常量池的回收和對(duì)類型的卸載。如果該區(qū)域內(nèi)存不足也會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

常量池：這個(gè)名詞可能大家也經(jīng)常見，它是方法區(qū)的一部分。Class文件除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息就是常量池，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用。Java虛擬機(jī)運(yùn)行期間，也可能將新的常量放入常量池（如String類的intern()方法）。

虛擬機(jī)棧：線程私有，生命周期與線程相同。虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法在執(zhí)行時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。每個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過程。如果請(qǐng)求的站深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常，虛擬機(jī)棧在動(dòng)態(tài)擴(kuò)展時(shí)如果無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存，就會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

本地方法棧：與虛擬機(jī)棧類似，不過虛擬機(jī)棧是為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法（字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則是為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)。該區(qū)域同樣會(huì)報(bào)StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

程序計(jì)數(shù)器：一塊較小的內(nèi)存空間，可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個(gè)計(jì)數(shù)器完成。如果線程正在執(zhí)行一個(gè)Java方法，計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址，如果正在執(zhí)行的是Native方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值為空。此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在Java虛擬機(jī)規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。

寫了這么多，感覺還是少一個(gè)例子。通過最簡單的一段代碼解釋一下，程序在運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)個(gè)部分的變化情況。

public class Test{
  public static void main(String[] args){
   String name = "best.lei";
   sayHello(name);
  }
  public static void sayHello(String name){
   System.out.println("Hello " + name);
  }
}

通過編譯器將Test.java文件編譯為Test.class，利用javap -verbose Test.class對(duì)編譯后的字節(jié)碼進(jìn)行分析，如下圖所示：

我們?cè)诳纯催\(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的變化：

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