前言

如果你對(duì)JVM一知半解，如果你想了解JVM的工作流程，如果你知道一些JVM面試題卻無(wú)法將知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，那么這篇文章非常適合你。

從面試題說(shuō)起

這些面試題Javaer們應(yīng)該都很熟悉，但是你知道這些面試題的背后嗎？

• 你知道類加載機(jī)制嗎？
• 什么是雙親委派機(jī)制？
• 介紹一下JVM內(nèi)存區(qū)域劃分
• 堆為什么要分代設(shè)計(jì)？
• 什么是內(nèi)存的擔(dān)保機(jī)制？
• 為什么Eden：S0：S1 比例是8：1：1？
• 描述一下對(duì)象內(nèi)存分配過(guò)程
• 如何判斷對(duì)象已死？
• 講一講內(nèi)存模型？
• 常用的JVM調(diào)優(yōu)參數(shù)有哪些？
• 常用的垃圾回收算法有哪些？
• 常用的垃圾收集器有哪些？
• ......

圖片

如果你總是背了又忘，忘了又背，歸根結(jié)底，還是對(duì)JVM沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

那么希望通過(guò)這篇文章，可以為你構(gòu)建一個(gè)連貫的JVM框架。

JVM做了哪些事？

眾所周知，高級(jí)編程語(yǔ)言編寫的程序，最終要轉(zhuǎn)化為機(jī)器碼，才可以在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

圖片

“翻譯”的工作

我們?cè)诰帉懲暌欢蜫ava代碼后，如果想要運(yùn)行它，需要通過(guò)Java編譯器，將其編譯為JVM認(rèn)識(shí)的字節(jié)碼文件。

圖片

然后執(zhí)行Java命令，這段代碼就會(huì)通過(guò)JVM運(yùn)行。

圖片

不僅僅“翻譯”

在這個(gè)過(guò)程中，JVM就充當(dāng)了轉(zhuǎn)換的角色，負(fù)責(zé)將字節(jié)碼，翻譯成對(duì)應(yīng)平臺(tái)上的機(jī)器指令。這樣的話，Java程序就可以在任何安裝了JVM的平臺(tái)上運(yùn)行。這就是Java語(yǔ)言一次編寫到處運(yùn)行的跨平臺(tái)特性。

圖片

翻譯字節(jié)碼的工作，是由JVM的執(zhí)行引擎完成。

在將字節(jié)碼翻譯為機(jī)器指令之前，JVM還有一個(gè)非常重要的工作，那就是將字節(jié)碼文件中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的加載到JVM中。這個(gè)工作是由JVM的類加載系統(tǒng)完成，

另外，為了在運(yùn)行時(shí)方便管理內(nèi)存，JVM定義了一個(gè)專門的區(qū)域，也就是大名鼎鼎的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)。

圖片

所以，類加載系統(tǒng)、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)、執(zhí)行引擎，就構(gòu)成了JVM平臺(tái)。

接下來(lái)，看一下它們是如何工作的。

在這之前，要對(duì)字節(jié)碼現(xiàn)有一個(gè)認(rèn)識(shí)，畢竟它貫穿了Java代碼運(yùn)行的整個(gè)流程。

Java虛擬機(jī)對(duì)Java編程語(yǔ)言一無(wú)所知，只知道一種特定的二進(jìn)制格式，即類文件格式。類文件包含Java虛擬機(jī)指令（或字節(jié)碼）和符號(hào)表，以及其他輔助信息。

JVM 各部件如何協(xié)同工作？

類加載器先工作

類加載系統(tǒng)目的很明確，就是將字節(jié)碼文件中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地加載到JVM，從Class文件加載到內(nèi)存 & 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、轉(zhuǎn)換解析和初始化，最終形成可被虛擬機(jī)直接使用的Java使用類型

執(zhí)行Java命令后，Java虛擬機(jī)啟動(dòng)，類加載系統(tǒng)就開(kāi)始工作了。

圖片

類加載系統(tǒng)首先會(huì)讀取指定的類文件，并遵循雙親委派機(jī)制進(jìn)行加載。

圖片

然后將文件中的常量池、字段、方法和指令等數(shù)據(jù)加載到JVM內(nèi)存的共享區(qū)域方法區(qū)中。

圖片

然后對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，目的是為了確保類的正確性。比如版本號(hào)為52或更高時(shí)，不應(yīng)該存在這個(gè)版本不支持的指令。

圖片

或者標(biāo)識(shí)類文件的魔術(shù)數(shù)字是不是cafebabe，這些完整性的檢查和約束都是非常有必要，就像我們自己開(kāi)發(fā)的應(yīng)用，也不可能隨便讓別人訪問(wèn)一樣。

圖片

驗(yàn)證完成后，在方法區(qū)為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存并設(shè)置默認(rèn)值。

圖片

緊接著，將常量池中表示對(duì)象的符號(hào)引用，指向到實(shí)際的內(nèi)存地址，也就是直接引用。

圖片

什么是符號(hào)引用呢？

符號(hào)引用是常量池中的類、方法、字段等指向的目標(biāo)在字節(jié)碼文件中的靜態(tài)表示，當(dāng)JVM運(yùn)行時(shí)，需要將目標(biāo)的靜態(tài)表示轉(zhuǎn)換成實(shí)際的內(nèi)存指針，也就是直接引用。在這個(gè)例子中，如果JVM需要加載Object這個(gè)類，它會(huì)查找常量池中的#3（Class類型，指向#27），然后解析#27中的字符串java/lang/Object/為實(shí)際的類文件路徑，并加載這個(gè)類。

最后執(zhí)行靜態(tài)代碼塊，為靜態(tài)變量設(shè)置初始值，類加載工作就算完成了。

整個(gè)加載過(guò)程就是面試被經(jīng)常問(wèn)到的類加載機(jī)制。

圖片

那么問(wèn)題來(lái)了：靜態(tài)變量為什么要先設(shè)置默認(rèn)值，再設(shè)置初始值，知道的評(píng)論區(qū)留言。

執(zhí)行引擎開(kāi)始工作

執(zhí)行引擎工作模式

靜態(tài)代碼塊被執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行引擎就會(huì)處理這些指令。執(zhí)行引擎有兩種工作模式：

• 解釋執(zhí)行
• 即時(shí)編譯

解釋執(zhí)行就是每次執(zhí)行都會(huì)逐行解釋字節(jié)碼指令

圖片

即時(shí)編譯是將熱點(diǎn)代碼，編譯成當(dāng)前平臺(tái)的機(jī)器碼，并緩存下次就可以直接執(zhí)行機(jī)器碼，這樣就可以提高執(zhí)行效率。

圖片

JVM通常采用解釋器與即時(shí)編譯器并存的混合模式。在程序啟動(dòng)時(shí)，解釋器可以立即發(fā)揮作用，省去編譯時(shí)間；隨著程序運(yùn)行時(shí)間的推移，JIT編譯器逐漸發(fā)揮作用，將越來(lái)越多的熱點(diǎn)代碼編譯為本地機(jī)器碼，以提高執(zhí)行效率。

Main方法什么時(shí)候被執(zhí)行？

靜態(tài)代碼塊執(zhí)行完成后，JVM會(huì)繼續(xù)調(diào)用main方法。如果執(zhí)行Java命令的字節(jié)碼文件中沒(méi)有main方法，JVM就會(huì)報(bào)錯(cuò)，這個(gè)是JVM規(guī)范。

圖片

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域開(kāi)始工作

執(zhí)行引擎工作期間，會(huì)和運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域有大量的交互。

線程私有的空間

調(diào)用main方法時(shí)，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)線程并在運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)中分配線程私有的空間：棧幀以及程序計(jì)數(shù)器。

圖片

程序計(jì)數(shù)器初始時(shí)會(huì)指向第一條指令， 然后隨著指令的執(zhí)行而遞增。

圖片

執(zhí)行靜態(tài)變量賦值的指令時(shí)，會(huì)把整數(shù)推送到棧幀中的操作數(shù)棧，隨后賦值給靜態(tài)變量。

圖片

在執(zhí)行創(chuàng)建一個(gè)Object實(shí)例的指令時(shí)，如果Object Class未被加載，類加載器會(huì)啟動(dòng)加載過(guò)程。然后在堆中分配一塊內(nèi)存并初始化實(shí)例。

圖片

大名鼎鼎的堆內(nèi)存

分配內(nèi)存這個(gè)過(guò)程，就涉及到“堆內(nèi)存分代設(shè)計(jì)”、“對(duì)象內(nèi)存分配過(guò)程”、“內(nèi)存分配方式”等知識(shí)點(diǎn)了。

圖片

如果對(duì)象過(guò)多導(dǎo)致空間不足，JVM就會(huì)通過(guò)垃圾回收來(lái)釋放一些空間。“如何確定對(duì)象是垃圾”、“使用哪個(gè)垃圾回收器”、“用了什么回收算法”就需要我們?nèi)チ私狻?/p>

圖片

實(shí)例初始化后，會(huì)將對(duì)象的引用存儲(chǔ)到局部變量表中。這樣的話，線程就可以通過(guò)引用訪問(wèn)到該對(duì)象。

圖片

就這么一直工作

后續(xù)的代碼會(huì)延續(xù)這個(gè)流程，該加載類的加載類、該翻譯指令的翻譯、該分配內(nèi)存的分配、該回收垃圾的回收，直到Java虛擬機(jī)停止工作。

圖片