作為一名Java使用者，掌握J(rèn)VM的體系結(jié)構(gòu)也是必須的。

[[323342]]

說(shuō)起Java，人們首先想到的是Java編程語(yǔ)言，然而事實(shí)上，Java是一種技術(shù)，它由四方面組成：Java編程語(yǔ)言、Java類文件格式、Java虛擬機(jī)和Java應(yīng)用程序接口(Java API)。它們的關(guān)系如下圖所示：

運(yùn)行期環(huán)境代表著Java平臺(tái)，開(kāi)發(fā)人員編寫Java代碼(.java文件)，然后將之編譯成字節(jié)碼(.class文件)，再然后字節(jié)碼被裝入內(nèi)存，一旦字節(jié)碼進(jìn)入虛擬機(jī)，它就會(huì)被解釋器解釋執(zhí)行，或者是被即時(shí)代碼發(fā)生器有選擇的轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼執(zhí)行。

Java平臺(tái)由Java虛擬機(jī)和Java應(yīng)用程序接口搭建，Java語(yǔ)言則是進(jìn)入這個(gè)平臺(tái)的通道，用Java語(yǔ)言編寫并編譯的程序可以運(yùn)行在這個(gè)平臺(tái)上。這個(gè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

在Java平臺(tái)的結(jié)構(gòu)中, 可以看出，Java虛擬機(jī)(JVM) 處在核心的位置，是程序與底層操作系統(tǒng)和硬件無(wú)關(guān)的關(guān)鍵。它的下方是移植接口，移植接口由兩部分組成：適配器和Java操作系統(tǒng), 其中依賴于平臺(tái)的部分稱為適配器;JVM 通過(guò)移植接口在具體的平臺(tái)和操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn);在JVM 的上方是Java的基本類庫(kù)和擴(kuò)展類庫(kù)以及它們的API， 利用Java API編寫的應(yīng)用程序(application) 和小程序(Java applet) 可以在任何Java平臺(tái)上運(yùn)行而無(wú)需考慮底層平臺(tái), 就是因?yàn)橛蠮ava虛擬機(jī)(JVM)實(shí)現(xiàn)了程序與操作系統(tǒng)的分離，從而實(shí)現(xiàn)了Java 的平臺(tái)無(wú)關(guān)性。

JVM在它的生存周期中有一個(gè)明確的任務(wù)，那就是運(yùn)行Java程序，因此當(dāng)Java程序啟動(dòng)的時(shí)候，就產(chǎn)生JVM的一個(gè)實(shí)例;當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束的時(shí)候，該實(shí)例也跟著消失了。下面我們從JVM的體系結(jié)構(gòu)和它的運(yùn)行過(guò)程這兩個(gè)方面來(lái)對(duì)它進(jìn)行比較深入的研究。

1、Java虛擬機(jī)的體系結(jié)構(gòu)

• 每個(gè)JVM都有兩種機(jī)制：

①類裝載子系統(tǒng)：裝載具有適合名稱的類或接口

②執(zhí)行引擎：負(fù)責(zé)執(zhí)行包含在已裝載的類或接口中的指令

• 每個(gè)JVM都包含：

方法區(qū)、Java堆、Java棧、本地方法棧、指令計(jì)數(shù)器及其他隱含寄存器

對(duì)于JVM的學(xué)習(xí)，在我看來(lái)這么幾個(gè)部分最重要：

Java代碼編譯和執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程

JVM內(nèi)存管理及垃圾回收機(jī)制

下面分別對(duì)這幾部分進(jìn)行說(shuō)明：

2、Java代碼編譯和執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程

也正如前面所說(shuō)，Java代碼的編譯和執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程大概是：開(kāi)發(fā)人員編寫Java代碼(.java文件)，然后將之編譯成字節(jié)碼(.class文件)，再然后字節(jié)碼被裝入內(nèi)存，一旦字節(jié)碼進(jìn)入虛擬機(jī)，它就會(huì)被解釋器解釋執(zhí)行，或者是被即時(shí)代碼發(fā)生器有選擇的轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼執(zhí)行。

(1)Java代碼編譯是由Java源碼編譯器來(lái)完成，也就是Java代碼到JVM字節(jié)碼(.class文件)的過(guò)程。 流程圖如下所示：

(2)Java字節(jié)碼的執(zhí)行是由JVM執(zhí)行引擎來(lái)完成，流程圖如下所示：

Java代碼編譯和執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程包含了以下三個(gè)重要的機(jī)制:

• Java源碼編譯機(jī)制
• 類加載機(jī)制
• 類執(zhí)行機(jī)制

(1)Java源碼編譯機(jī)制

Java 源碼編譯由以下三個(gè)過(guò)程組成：

①分析和輸入到符號(hào)表

②注解處理

③語(yǔ)義分析和生成class文件

流程圖如下所示：

最后生成的class文件由以下部分組成：

①結(jié)構(gòu)信息：包括class文件格式版本號(hào)及各部分的數(shù)量與大小的信息

②元數(shù)據(jù)：對(duì)應(yīng)于Java源碼中聲明與常量的信息。包含類/繼承的超類/實(shí)現(xiàn)的接口的聲明信息、域與方法聲明信息和常量池

③方法信息：對(duì)應(yīng)Java源碼中語(yǔ)句和表達(dá)式對(duì)應(yīng)的信息。包含字節(jié)碼、異常處理器表、求值棧與局部變量區(qū)大小、求值棧的類型記錄、調(diào)試符號(hào)信息

(2)類加載機(jī)制

JVM的類加載是通過(guò)ClassLoader及其子類來(lái)完成的，類的層次關(guān)系和加載順序可以由下圖來(lái)描述：

①Bootstrap ClassLoader

負(fù)責(zé)加載$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++實(shí)現(xiàn)，不是ClassLoader子類

②Extension ClassLoader

負(fù)責(zé)加載java平臺(tái)中擴(kuò)展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目錄下的jar包

③App ClassLoader

負(fù)責(zé)記載classpath中指定的jar包及目錄中class

④Custom ClassLoader

屬于應(yīng)用程序根據(jù)自身需要自定義的ClassLoader，如tomcat、jboss都會(huì)根據(jù)j2ee規(guī)范自行實(shí)現(xiàn)ClassLoader加載過(guò)程中會(huì)先檢查類是否被已加載，檢查順序是自底向上，從Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐層檢查，只要某個(gè)classloader已加載就視為已加載此類，保證此類只所有ClassLoader加載一次。而加載的順序是自頂向下，也就是由上層來(lái)逐層嘗試加載此類。

(3)類執(zhí)行機(jī)制

JVM是基于堆棧的虛擬機(jī)。JVM為每個(gè)新創(chuàng)建的線程都分配一個(gè)堆棧.也就是說(shuō),對(duì)于一個(gè)Java程序來(lái)說(shuō)，它的運(yùn)行就是通過(guò)對(duì)堆棧的操作來(lái)完成的。堆棧以幀為單位保存線程的狀態(tài)。JVM對(duì)堆棧只進(jìn)行兩種操作:以幀為單位的壓棧和出棧操作。

JVM執(zhí)行class字節(jié)碼，線程創(chuàng)建后，都會(huì)產(chǎn)生程序計(jì)數(shù)器(PC)和棧(Stack)，程序計(jì)數(shù)器存放下一條要執(zhí)行的指令在方法內(nèi)的偏移量，棧中存放一個(gè)個(gè)棧幀，每個(gè)棧幀對(duì)應(yīng)著每個(gè)方法的每次調(diào)用，而棧幀又是有局部變量區(qū)和操作數(shù)棧兩部分組成，局部變量區(qū)用于存放方法中的局部變量和參數(shù)，操作數(shù)棧中用于存放方法執(zhí)行過(guò)程中產(chǎn)生的中間結(jié)果。棧的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

3、JVM內(nèi)存管理及垃圾回收機(jī)制

JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)分為：方法區(qū)(method)，棧內(nèi)存(stack)，堆內(nèi)存(heap)，本地方法棧(java中的jni調(diào)用)，結(jié)構(gòu)圖如下所示：

(1)堆內(nèi)存(heap)

所有通過(guò)new創(chuàng)建的對(duì)象的內(nèi)存都在堆中分配，其大小可以通過(guò)-Xmx和-Xms來(lái)控制。

操作系統(tǒng)有一個(gè)記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表，當(dāng)系統(tǒng)收到程序的申請(qǐng)時(shí)，會(huì)遍歷該鏈表，尋找第一個(gè)空間大于所申請(qǐng)空間的堆結(jié)點(diǎn)，然后將該結(jié)點(diǎn)從空閑結(jié)點(diǎn)鏈表中刪除，并將該結(jié)點(diǎn)的空間分配給程序，另外，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)，會(huì)在這塊內(nèi)存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣代碼中的delete語(yǔ)句才能正確的釋放本內(nèi)存空間。但由于找到的堆結(jié)點(diǎn)的大小不一定正好等于申請(qǐng)的大小，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。這時(shí)由new分配的內(nèi)存，一般速度比較慢，而且容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片，不過(guò)用起來(lái)最方便。另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內(nèi)存，它不是在堆，也不是在棧，而是直接在進(jìn)程的地址空間中保留一塊內(nèi)存，雖然這種方法用起來(lái)最不方便，但是速度快，也是最靈活的。堆內(nèi)存是向高地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。由于系統(tǒng)是用鏈表來(lái)存儲(chǔ)的空閑內(nèi)存地址的，自然是不連續(xù)的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存。由此可見(jiàn)，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

(2)棧內(nèi)存(stack)

在Windows下, 棧是向低地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。這句話的意思是棧頂?shù)牡刂泛蜅５淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預(yù)先規(guī)定好的，在WINDOWS下，棧的大小是固定的(是一個(gè)編譯時(shí)就確定的常數(shù))，如果申請(qǐng)的空間超過(guò)棧的剩余空間時(shí)，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。只要棧的剩余空間大于所申請(qǐng)空間，系統(tǒng)將為程序提供內(nèi)存，否則將報(bào)異常提示棧溢出。 由系統(tǒng)自動(dòng)分配，速度較快。但程序員是無(wú)法控制的。堆內(nèi)存與棧內(nèi)存需要說(shuō)明：

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型直接在?？臻g分配，方法的形式參數(shù)，直接在?？臻g分配，當(dāng)方法調(diào)用完成后從?？臻g回收。引用數(shù)據(jù)類型，需要用new來(lái)創(chuàng)建，既在?？臻g分配一個(gè)地址空間，又在堆空間分配對(duì)象的類變量 。方法的引用參數(shù)，在?？臻g分配一個(gè)地址空間，并指向堆空間的對(duì)象區(qū)，當(dāng)方法調(diào)用完成后從?？臻g回收。局部變量new出來(lái)時(shí)，在棧空間和堆空間中分配空間，當(dāng)局部變量生命周期結(jié)束后，?？臻g立刻被回收，堆空間區(qū)域等待GC回收。方法調(diào)用時(shí)傳入的literal參數(shù)，先在?？臻g分配，在方法調(diào)用完成后從?？臻g收回。字符串常量、static在DATA區(qū)域分配，this在堆空間分配。數(shù)組既在?？臻g分配數(shù)組名稱，又在堆空間分配數(shù)組實(shí)際的大小。

如：

(3)本地方法棧(java中的jni調(diào)用)

用于支持native方法的執(zhí)行，存儲(chǔ)了每個(gè)native方法調(diào)用的狀態(tài)。對(duì)于本地方法接口，實(shí)現(xiàn)JVM并不要求一定要有它的支持，甚至可以完全沒(méi)有。Sun公司實(shí)現(xiàn)Java本地接口(JNI)是出于可移植性的考慮，當(dāng)然我們也可以設(shè)計(jì)出其它的本地接口來(lái)代替Sun公司的JNI。但是這些設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是比較復(fù)雜的事情，需要確保垃圾回收器不會(huì)將那些正在被本地方法調(diào)用的對(duì)象釋放掉。

(4)方法區(qū)(method)

它保存方法代碼(編譯后的java代碼)和符號(hào)表。存放了要加載的類信息、靜態(tài)變量、final類型的常量、屬性和方法信息。JVM用持久代(Permanet Generation)來(lái)存放方法區(qū)，可通過(guò)-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize來(lái)指定最小值和最大值。

垃圾回收機(jī)制

堆里聚集了所有由應(yīng)用程序創(chuàng)建的對(duì)象，JVM也有對(duì)應(yīng)的指令比如 new, newarray, anewarray和multianewarray，然并沒(méi)有向 C++ 的 delete，free 等釋放空間的指令，Java的所有釋放都由 GC 來(lái)做，GC除了做回收內(nèi)存之外，另外一個(gè)重要的工作就是內(nèi)存的壓縮，這個(gè)在其他的語(yǔ)言中也有類似的實(shí)現(xiàn)，相比 C++ 不僅好用，而且增加了安全性，當(dāng)然她也有弊端，比如性能這個(gè)大問(wèn)題。4、Java虛擬機(jī)的運(yùn)行過(guò)程示例

上面對(duì)虛擬機(jī)的各個(gè)部分進(jìn)行了比較詳細(xì)的說(shuō)明，下面通過(guò)一個(gè)具體的例子來(lái)分析它的運(yùn)行過(guò)程。

虛擬機(jī)通過(guò)調(diào)用某個(gè)指定類的方法main啟動(dòng)，傳遞給main一個(gè)字符串?dāng)?shù)組參數(shù)，使指定的類被裝載，同時(shí)鏈接該類所使用的其它的類型，并且初始化它們。例如對(duì)于程序：

編譯后在命令行模式下鍵入： java HelloApp run virtual machine

將通過(guò)調(diào)用HelloApp的方法main來(lái)啟動(dòng)java虛擬機(jī)，傳遞給main一個(gè)包含三個(gè)字符串”run”、”virtual”、”machine”的數(shù)組。現(xiàn)在我們略述虛擬機(jī)在執(zhí)行HelloApp時(shí)可能采取的步驟。

開(kāi)始試圖執(zhí)行類HelloApp的main方法，發(fā)現(xiàn)該類并沒(méi)有被裝載，也就是說(shuō)虛擬機(jī)當(dāng)前不包含該類的二進(jìn)制代表，于是虛擬機(jī)使用ClassLoader試圖尋找這樣的二進(jìn)制代表。如果這個(gè)進(jìn)程失敗，則拋出一個(gè)異常。類被裝載后同時(shí)在main方法被調(diào)用之前，必須對(duì)類HelloApp與其它類型進(jìn)行鏈接然后初始化。鏈接包含三個(gè)階段：檢驗(yàn)，準(zhǔn)備和解析。檢驗(yàn)檢查被裝載的主類的符號(hào)和語(yǔ)義，準(zhǔn)備則創(chuàng)建類或接口的靜態(tài)域以及把這些域初始化為標(biāo)準(zhǔn)的默認(rèn)值，解析負(fù)責(zé)檢查主類對(duì)其它類或接口的符號(hào)引用，在這一步它是可選的。類的初始化是對(duì)類中聲明的靜態(tài)初始化函數(shù)和靜態(tài)域的初始化構(gòu)造方法的執(zhí)行。一個(gè)類在初始化之前它的父類必須被初始化。整個(gè)過(guò)程如下：