《初步了解JVM》第1章

大家都知道，Java中JVM的重要性，學(xué)習(xí)了JVM你對Java的運行機制、編譯過程和如何對Java程序進行調(diào)優(yōu)相信都會有一個很好的認知。

廢話不多說，直接帶大家來初步認識一下JVM。

• 什么是JVM？

JVM(Java Virtual Machine)是一個抽象的計算機，和實際的計算機一樣，它具有指令集并使用不同的存儲區(qū)域，它負責執(zhí)行指令，還要管理數(shù)據(jù)、內(nèi)存和寄存器。

看到這里，可能不懂JVM的人，已經(jīng)蒙圈了。沒關(guān)系，下面讓我詳細為大家介紹JVM的體系架構(gòu)圖，或許你會明白些。

簡單來說，JVM就是一個虛擬計算機。我們都知道Java語言其中的一個特性就是跨平臺的，而JVM就是Java程序?qū)崿F(xiàn)跨平臺的關(guān)鍵部分。Java編譯器編譯Java程序時，生成的是與平臺無關(guān)的字節(jié)碼（也就是*.class文件），所謂的平臺無關(guān)是指編譯生成的字節(jié)碼無論是在Window、Linux、Mac系統(tǒng)都是可執(zhí)行。也就是說Java編譯生成的*.class文件不是面向平臺的，而是面向JVM的。不同平臺上的JVM都是不同的，但是他們都是提供了相同的接口。圖一為Java的大致運行步驟：

圖一

引用一個《瘋狂Java講義》中提到例子來幫助大家理解JVM的作用：

JVM的作用就像有兩只不同的鉛筆，但需要把同一個筆帽套在兩支不同的筆上，只有為這兩支筆分別提供一個轉(zhuǎn)換器，這個轉(zhuǎn)換器向上的接口相同，用于適應(yīng)同一個筆帽；向下的接口不同，用于適應(yīng)兩支不同的筆。在這個類比中，可以近似地理解兩支不同的筆就是不同的操作系統(tǒng)，而同一個筆帽就是Java字節(jié)碼程序，轉(zhuǎn)換器角色則對應(yīng)JVM。類似地，也可以認為JVM分為向上和向下兩個部分，所有平臺的JVM向上提供給Java字節(jié)碼程序的接口完全相同，但向下適應(yīng)的不同平臺的接口則互不相同。

• JVM體系結(jié)構(gòu)概覽

上面我們是初步介紹了JVM的作用，那么要深入去了解JVM我們就需要了解JVM的體系結(jié)構(gòu)，請看圖二：

圖二

圖二是JVM的體系架構(gòu)圖，接下讓我們一起來聊一聊每一個部分都是什么意思。

1.類裝載器子系統(tǒng)（ClassLoader）

負責加載class文件，class文件在文件開頭有特定的文件標示，將class文件字節(jié)碼內(nèi)容加載到內(nèi)存中，并將這些內(nèi)容轉(zhuǎn)換成方法區(qū)中的運行時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并且ClassLoader只負責class文件的加載，至于它是否可以運行，則由Execution Engine決定。

Java編譯生成的*.class文件就是通過ClassLoader進行加載的，那么這里就會有幾個問題：

• ClassLoader如何知道*.class文件就是需要加載的文件？

• 如果我手動將一個普通文件的擴展名稱改為class后綴，ClassLoader會加載這個文件嗎？

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實際上，class文件在文件的開頭是有特定的文件標識的，隨便編寫一個Java程序，編譯生成一個class文件，打開后你都能看到如下內(nèi)容：

cafe babe就是class文件的一個標識，ClassLoader負責加載有cafe babe的class文件，它將class文件字節(jié)碼內(nèi)容加載到內(nèi)存中，并將這些內(nèi)容轉(zhuǎn)換成方法區(qū)中的運行時的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并且ClassLoader只負責class文件的加載，至于它是否可以運行，則由Execution Engine決定，請看圖三：

圖三

Car.class文件通過ClassLoader進行加載到內(nèi)存中，Car Class在內(nèi)存中就相當一個模板，我們可以通過這個模板可以實例化成不同的實例car1、car2、car3。

不知大家會不會有一個疑問，ClassLoader加載Car.class在Java中是用什么類型的加載器加載的呢？在解答這個問題前我們先寫個簡單的代碼看看：

        //new一個Car對象
        Car car = new Car();        //得到ClassLoader
        ClassLoader classLoader = car.getClass().getClassLoader();        //打印結(jié)果
        System.out.println(classLoader);

結(jié)果為：

我們再來看看另外一組代碼：

        //new兩個不同的對象
        Car car = new Car();        String string = new String();        //得到ClassLoader
        ClassLoader classLoader1 = car.getClass().getClassLoader();        ClassLoader classLoader2 = string.getClass().getClassLoader();        //打印結(jié)果
        System.out.println(classLoader1);        System.out.println(classLoader2);

結(jié)果為：

從上面我們可以知道，ClassLoader的打印結(jié)果一個是“sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2”，一個則是“null”，這是怎么回事呢，細心的朋友就可以發(fā)現(xiàn)這兩個不同的對象中，其中car對象是我們自己寫的一個類，string對象是系統(tǒng)自帶的一個類。簡單來說就是ClassLoader會根據(jù)不同的類選擇不同的類加載器去進行加載。這里就牽扯到了ClassLoader的分類

ClassLoader的類別：

• 啟動類加載器(BootStrap)
• 擴展類加載器(Extension)
• 應(yīng)用程序類加載器(AppClassLoader)
• 用戶自定義加載器

一般我們自己所寫的類用的類加載器都是AppClassLoader，就是上圖所示的“sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2”，而為什么string這個對象是”null“呢？實際上，這個“null”指的就是使用BootStrap這個加載器。

那可能有人有疑問，自己定義的類用AppClassLoader，能理解，因為car這個對象輸出的類加載器名字中有AppClassLoader這個字樣，但是為什么string這個對象是”null“，從哪里可用體現(xiàn)是用BootStrap這個加載器呢？是這樣的，BootStrap類加載器相當于擴展類加載器、應(yīng)用程序類加載器的祖宗，若是用了BootStrap，由于BootStrap上一級已經(jīng)沒有了，所以就用“null”來表示

其實我們可以找一下String這個類在JDK的位置：

$JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar/java/lang

所有在這個路徑$JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar這個jar包下的類都是用BootStrap來加載的。

下面請看圖4：

圖四

這張圖就可以很清晰得看到：

1.所有在$Java_Home/jre/lib/rt.jar是通過BootStrap加載的

2.所有在$Java_Home/jre/lib/ext/*.jar是通過Extension加載的

3.所有在$CLASSPATH是通過SYSTEM加載的（應(yīng)用程序類加載器也叫系統(tǒng)類加載器，加載當前應(yīng)用的classpath的所有類）

接下來我們再來看一個例子：

如果創(chuàng)建一個java.lang包，然后創(chuàng)建String類，打印一句話執(zhí)行會怎么樣呢？

package java.lang;public class String {    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World");
    }
}

效果如下：

可以看到程序報錯了，說是找不到main方法，可是明明就有main方法為什么沒有執(zhí)行呢？這里就涉及了雙親委派機制

雙親委派機制：

當一個類收到了類加載請求，他首先不會嘗試自己去加載這個類，而是把這個請求委派給父類去完成，每一個層次類加載器都是如此，因此所有的加載請求都應(yīng)該傳送到啟動類加載器中，只有當父類加載器反饋自己無法完成這個請求的時候（在它的加載路徑下沒有找到所需加載的Class），子類加載器才會嘗試自己去加載。

所以它實際的運行過程是這樣的：

• ClassLoader收到String類的加載請求。
• 先去Bootstrap查找是否有這個類，沒有則反饋無法完成這個請求，但是恰好，在rt.jar中找到了java.lang.Stirng這個類
• 執(zhí)行這個類，這個類是沒有定義main方法的

• 報錯，類中沒有定義main方法

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所以上面的例子，他會找到j(luò)dk中java.lang.String這個類，這個類確實是沒有定義main方法，簡單來說它執(zhí)行的類是JDK中java.lang.String這個類，而不是我們自己定義的類。

那用雙親委派機制有什么好處呢：

采用雙親委派的一個好處是比如加載位于 rt.jar 包中的類 java.lang.Object，不管是哪個加載器加載這個類，最終都是委托給頂層的啟動類加載器進行加載，這樣就保證了使用不同的類加載器最終得到的都是同樣一個 Object對象。

2.執(zhí)行引擎(Execution Engine)

執(zhí)行引擎負責解釋命令，提交給操作系統(tǒng)執(zhí)行，這里對執(zhí)行引擎就不做過多的解釋了，只要知道他是負責解釋命令的即可。

3.本地方法接口(Native Interface)和本地方法棧(Native Method Stack)

• 本地接口:本地接口的作用是融合不同的編程語言為 Java 所用，它的初衷是融合 C/C++程序，Java 誕生的時候是 C/C++橫行的時候，要想立足，必須有調(diào)用 C/C++程序，于是就在內(nèi)存中專門開辟了一塊區(qū)域處理標記為native的代碼，它的具體做法是 Native Method Stack中登記 native方法，在Execution Engine 執(zhí)行時加載native libraies。

　　　目前該方法使用的越來越少了，除非是與硬件有關(guān)的應(yīng)用，比如通過Java程序驅(qū)動打印機或者Java系統(tǒng)管理生產(chǎn)設(shè)備，在企業(yè)級應(yīng)用中已經(jīng)比較少見。因為現(xiàn)在的異構(gòu)領(lǐng)域間的通信很發(fā)達，比如可以使用 　　　Socket通信，也可以使用Web Service等等，不多做介紹。

如果在程序中有見到native關(guān)鍵字，就代表不是Java能完成的事情了，需要加載本地方法庫才能完成

• 本地方法棧：它的具體做法是Native Method Stack中登記native方法，在Execution Engine 執(zhí)行時加載本地方法庫。說白了就是本地方法由本地方法棧來登記，Java中的方法由Java棧來登記。

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4.PC寄存器(Program Counter Register)

每個線程都有一個程序計數(shù)器，是線程私有的,就是一個指針，指向方法區(qū)中的方法字節(jié)碼（用來存儲指向下一條指令的地址,也即將要執(zhí)行的指令代碼），由執(zhí)行引擎讀取下一條指令，是一個非常小的內(nèi)存空間，幾乎可以忽略不記。
這塊內(nèi)存區(qū)域很小，它是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器，字節(jié)碼解釋器通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令。
如果執(zhí)行的是一個Native方法，那這個計數(shù)器是空的。
PC寄存器用來完成分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能。由于使用的內(nèi)存較小，所以不會發(fā)生內(nèi)存溢出(OutOfMemory)錯誤。