如何分析jvm體系結(jié)構(gòu)

今天就跟大家聊聊有關(guān)如何分析jvm體系結(jié)構(gòu)，可能很多人都不太了解，為了讓大家更加了解，小編給大家總結(jié)了以下內(nèi)容，希望大家根據(jù)這篇文章可以有所收獲。

這不是一篇描述jvm是什么的文章，也不介紹jvm跨平臺的特性，也不是講述jvm安全特性的文章，更不是講解jvm指令操作，數(shù)據(jù)運算的文章， 下面重點講述類型的生命周期。

類型的生命周期涉及到：類的裝載、jvm體系結(jié)構(gòu)、垃圾回收機制。

為什么要講jvm體系結(jié)構(gòu)？  因為類的裝載和垃圾回收機制都和jvm體系結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。

那么什么是jvm體系結(jié)構(gòu)呢？

當jvm運行起來的時候，它會向系統(tǒng)申請一片內(nèi)存區(qū)（不同的jvm實現(xiàn)可能不同，有些可以使用虛擬內(nèi)存），將這塊內(nèi)存分出一部分存儲許多東西，例如：程序創(chuàng)建的對象，傳遞給方法的參數(shù)，返回值，局部變量等等，我們將這塊內(nèi)存稱之為“運行時數(shù)據(jù)區(qū)”， 運行時數(shù)據(jù)區(qū)可以劃分成方法區(qū)、堆、java棧、pc寄存器、本地方法棧。

看到上面這幅圖，和這些解說你可能大概的明白jvm 體系是個啥樣子，但是你或許還不了解運行時數(shù)據(jù)區(qū)里面方法區(qū)等用來干嘛的。

• 方法區(qū)：當虛擬機裝載一個class文件的時候，它會從這個class文件包含的二進制數(shù)據(jù)中解析類型信息。然這些類型信息放到方法區(qū)中。因為方法區(qū)是被所有線程共享的，所以必須考慮數(shù)據(jù)的線程安全。假如兩個線程都在試圖找lava的類，在lava類還沒有被加載的情況下，只應該有一個線程去加載，而另一個線程等待。

• Pc寄存器：每個新線程產(chǎn)生都將得到自己的pc寄存器以及一個java棧幀。

• 堆：存放程序運行時產(chǎn)生的所有對象。堆是一個線程共享的內(nèi)存區(qū)，所以我們寫多線程程序的時候需要考慮并發(fā)。

Java棧：java棧由許多棧幀組成的，如圖，當一個線程調(diào)用java方法時，虛擬機壓入一個新的棧幀到java棧中，當方法返回的時候，這個棧幀被從java棧彈出并被拋棄。

那么現(xiàn)在你應該可以想象到一些jvm是怎么工作的了，是不是應該接著講具體工作原理了呢？。但是不急，先了解下類的裝載機制。

了解類的裝載機制之前先了解jvm里面的類裝載器：Bootstrap  Loader、ExtClassLoader 、AppClassLoader；

ExtClassLoader （負責裝載jre下面的rt.jar, charsets.jar）和AppClassLoader(負責轉(zhuǎn)載classpath下面的類包)是ClassLoader（抽象類）的子類；

Bootstrap Loader（負責裝載jre核心類庫）是根裝載器是c/c++寫的在java里面看不到它。

這三個類裝載器存在父子關(guān)系，  根裝載器是 ExtClassLoader父裝載器，ExtClassLoader是AppClassLoader父裝載器；

Jvm中類的裝載也是安全機制沙箱模型的***道門檻。 Java裝載類使用“雙親委派模式”—即全盤負責委托機制。

好現(xiàn)在讓我們了解裝載大概流程； 

當裝載一個類的時候，若是由用戶指定一個類裝載器裝載的話，那么那個類裝載器會先委派給父類裝載器，一直委派到根裝載器，如果裝載的是一個 java.lang.String，由于它是核心類庫的而且已經(jīng)被裝載過了，那么就會直接返回一個class對象，那么如果是一個根裝載器找不到的類呢？接著就會交給子類（下一級父類）裝載器，如果還是沒有找到類文件，接著就會由之前用戶指定的那個類裝載器裝載。（這里沒有說明裝載超類的過程，請勿疏忽）。

如果是有人惡意的寫了一個基礎類java.lang.String，那么會影響虛擬機嗎？ 不會因為這個類最終會交由根裝載器裝載，而根裝載器只會去jre核心類庫加載，最終返回的class類型并不是 用戶寫的String，而且系統(tǒng)自帶的String，也就是說用戶寫String永遠不會被加載。

了解了類裝載器是怎么工作了之后，我們也需要了解下class文件格式；

The ClassFile Structure  ClassFile{  u4 magic;    //魔數(shù)  u2 minor_version; //class 次版本號  u2 major_version; //class 主版本號   u2 constant_pool_count;  //常量池計數(shù)  cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];  //常量池  u2 access_flags;   //修飾符  u2 this_class;  /常量池索引  u2 interfaces_count;    u2 interfaces[interfaces_count];  u2 fields_count;  field_info fields[fields_count];  u2 methods_count;  method_info methods[methods_count];  u2 attributes_count;  attribute_info attributes[attrributes_count];  }

我們需要了解的有很多，但是我們難以理解的就是 cp_info constant_pool 常量池；

一個常量池里面有很多表

CONSTANT_Utf8 UTF-8編碼的Unicode字符串  CONSTANT_Integer   int類型的字面值  CONSTANT_Float float類型的字面值  CONSTANT_Long          long類型的字面值  CONSTANT_Double double類型的字面值  CONSTANT_Class 對一個類或接口的符號引用  CONSTANT_String String類型字面值的引用  CONSTANT_Fieldref 對一個字段的符號引用  CONSTANT_Methodref   對一個類中方法的符號引用  CONSTANT_InterfaceMethodref 對一個接口中方法的符號引用  CONSTANT_NameAndType   對一個字段或方法的部分符號引用

這些表結(jié)構(gòu)我也不解釋了，如果對class文件不夠了解也沒什么關(guān)系，知道個大概也行。那么我們了解了 jvm體系，類裝載器工作流程，那么我們細看下 類裝載器工作中 ，jvm運行時數(shù)據(jù)區(qū)的變化，方法區(qū)里面的結(jié)構(gòu)等等。

在類裝載的過程中， 每一個類裝載器都會在方法區(qū)里面形成一張表，這張表記載著該裝載器和對應的類的權(quán)限定名。沒這么一張表就形成了jvm內(nèi)部的命名空間。同時在方法區(qū)里面還該類的常量池等信息。

那么說到這些，其實這個過程還是很模糊，而且很多知識也落下了，那么我們現(xiàn)在看一個詳細一點的裝載過程。

當裝載一個普通的類的時候，即調(diào)用類裝載器的loadClass方法, 如果希望裝載的類還沒有被裝載到命名空間，那么jvm會傳遞一個該類型的全限定名給類裝載器，也就是常量池CONSTANT_Class_info（該表存儲著父類、類裝載器等信息）入口的裝載器，來試圖裝載被引用的類型，如果發(fā)起引用的類型是被jvm裝載器定義的，那么由jvm類裝載器裝載，否則由用戶自定義裝載器裝載，那么一旦被引用的類型被裝載了，jvm仔細檢查它的二進制數(shù)據(jù)，如果類是是一個類，并且不是java.lang.Object。 jvm根據(jù)數(shù)據(jù)得到它的全限定名進行裝載（遞歸的應用了）這個過程還需要遞歸超接口。

裝載差不多講完了，一個完整的過程 是： 裝載—連接---初始化

那么連接和初始化就一帶而過了， 重點放在垃圾回收。

連接的過程主要是驗證（確認類型符合java語言的語義，并且它不會危及虛擬機的完整性）、準備（java 虛擬機為類變量分配內(nèi)存，設計默認初始值）、解析（在類型的常量池中尋找類、接口、字段和方法的符合引用，把這些符號引用替換成直接引用的過程）。

初始化的時候，如果類存在直接超類，且超類還沒有被初始化，就先初始化直接超類。初始化接口并不需要初始化它的父接口。

補充：

Jvm當運行某個方法的時候，先把這個方法壓入java棧中，里面包含局部變量等信息，那么對象放入哪里呢？ 壓入棧的是對象的引用， 即變量， 所有的對象都存儲在堆中。

為什么要把對象放入堆，把變量之類的數(shù)據(jù)放入棧呢？ 說白了，對象太大了，存入棧中運算麻煩。（當然標準的回答不是這樣的，我這里僅僅是說明實質(zhì)）

了解了這么一個過程之后，我們必然要了解垃圾回收機制了。

基本回收算法

1. 引用計數(shù)：比較古老的回收算法。原理是此對象有一個引用，即增加一個計數(shù)，刪除一個引用則減少一個計數(shù)。垃圾回收時，只用收集計數(shù)為0的對象。此算法最致命的是無法處理循環(huán)引用的問題。

2. 標記-清除：此算法執(zhí)行分兩階段。第一階段從引用根節(jié)點開始標記所有被引用的對象，第二階段遍歷整個堆，把未標記的對象清除。此算法需要暫停整個應用，同時，會產(chǎn)生內(nèi)存碎片。

3. 復制：此算法把內(nèi)存空間劃為兩個相等的區(qū)域，每次只使用其中一個區(qū)域。垃圾回收時，遍歷當前使用區(qū)域，把正在使用中的對象復制到另外一個區(qū)域中。次算法每次只處理正在使用中的對象，因此復制成本比較小，同時復制過去以后還能進行相應的內(nèi)存整理，不過出現(xiàn)“碎片”問題。當然，此算法的缺點也是很明顯的，就是需要兩倍內(nèi)存空間。

4. 標記-整理：此算法結(jié)合了“標記-清除”和“復制”兩個算法的優(yōu)點。也是分兩階段，最后階段從根節(jié)點開始標記所有被引用對象，第二階段遍歷整個堆，把清除未標記對象并且把存活對象“壓縮”到堆的其中一塊，按順序排放。此算法避免了“標記-清除”的碎片問題，同時也避免了“復制”算法的空間問題。

5. 增量收集：實施垃圾回收算法，即：在應用進行的同時進行垃圾回收。

6. 分代：基于對對象生命周期分析后得出的垃圾回收算法。把對象分為年青代、年老代、持久代，對不同生命周期的對象使用不同的算法（上述方式中的一個）進行回收。

看完上述內(nèi)容，你們對如何分析jvm體系結(jié)構(gòu)有進一步的了解嗎？如果還想了解更多知識或者相關(guān)內(nèi)容，請關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝大家的支持。