什么是JVM？一文簡談運行機制及基本原理

作者：愛喝王老吉的劉某人 2020-05-20 22:28:10

云計算

虛擬化 JVM也充當著一個翻譯官的角色，我們編寫出的Java程序，是不能夠被操作系統(tǒng)所直接識別的，這時候JVM的作用就體現(xiàn)出來了，它負責把我們的程序翻譯給系統(tǒng)“聽”，告訴它我們的程序需要做什么操作。

JVM的基礎概念

JVM的中文名稱叫Java虛擬機，它是由軟件技術(shù)模擬出計算機運行的一個虛擬的計算機。

JVM也充當著一個翻譯官的角色，我們編寫出的Java程序，是不能夠被操作系統(tǒng)所直接識別的，這時候JVM的作用就體現(xiàn)出來了，它負責把我們的程序翻譯給系統(tǒng)“聽”，告訴它我們的程序需要做什么操作。

我們都知道Java的程序需要經(jīng)過編譯后，產(chǎn)生.Class文件，JVM才能識別并運行它，JVM針對每個操作系統(tǒng)開發(fā)其對應的解釋器，所以只要其操作系統(tǒng)有對應版本的JVM，那么這份Java編譯后的代碼就能夠運行起來，這就是Java能一次編譯，到處運行的原因。

JVM的生命周期

JVM在Java程序開始執(zhí)行的時候，它才運行，程序結(jié)束的時它就停止。

一個Java程序會開啟一個JVM進程，如果一臺機器上運行三個程序，那么就會有三個運行中的JVM進程。

JVM中的線程分為兩種：守護線程和普通線程

守護線程是JVM自己使用的線程，比如垃圾回收(GC)就是一個守護線程。

普通線程一般是Java程序的線程，只要JVM中有普通線程在執(zhí)行，那么JVM就不會停止。

權(quán)限足夠的話，可以調(diào)用exit()方法終止程序。

JVM的結(jié)構(gòu)體系

JVM的啟動過程

1、JVM的裝入環(huán)境和配置

在學習這個之前，我們需要了解一件事情，就是JDK和JRE的區(qū)別。

JDK是面向開發(fā)人員使用的SDK，它提供了Java的開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境，JDK中包含了JRE。

JRE是Java的運行環(huán)境，是面向所有Java程序的使用者，包括開發(fā)者。

JRE = 運行環(huán)境 = JVM。

如果安裝了JDK，會發(fā)現(xiàn)電腦中有兩套JRE，一套位于/Java/jre.../下，一套位于/Java/jdk.../jre下。那么問題來了，一臺機器上有兩套以上JRE，誰來決定運行那一套呢?這個任務就落到java.exe身上，java.exe的任務就是找到合適的JRE來運行java程序。

java.exe按照以下的順序來選擇JRE：

1. 自己目錄下有沒有JRE
2. 父目錄下有沒有JRE
3. 查詢注冊表： HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\JavaSoft\Java Runtime Environment"當前JRE版本號"\JavaHome

這幾步的主要核心是為了找到JVM的絕對路徑。

jvm.cfg的路徑為：JRE路徑\lib"CPU架構(gòu)"\jvm.fig

jvm.cfg的內(nèi)容大致如下：

• -client KNOWN
• -server KNOWN
• -hotspot ALIASED_TO -client
• -classic WARN
• -native ERROR
• -green ERROR

KNOWN 表示存在 、IGNORE 表示不存在 、ALIASED_TO 表示給別的JVM去一個別名

WARN 表示不存在時找一個替代 、ERROR 表示不存在拋出異常

2、裝載JVM

通過第一步找到JVM的路徑后，Java.exe通過LoadJavaVM來裝入JVM文件。

LoadLibrary裝載JVM動態(tài)連接庫，然后把JVM中的到處函數(shù)JNI_CreateJavaVM和JNI_GetDefaultJavaVMIntArgs 掛接到InvocationFunction 變量的CreateJavaVM和GetDafaultJavaVMInitArgs 函數(shù)指針變量上。JVM的裝載工作完成。

3、初始化JVM，獲得本地調(diào)用接口

調(diào)用InvocationFunction -> CreateJavaVM也就是JVM中JNI_CreateJavaVM方法獲得JNIEnv結(jié)構(gòu)的實例。

4、運行Java程序

JVM運行Java程序的方式有兩種：jar包 與 Class

運行jar 的時候，Java.exe調(diào)用GetMainClassName函數(shù)，該函數(shù)先獲得JNIEnv實例然后調(diào)用JarFileJNIEnv類中g(shù)etManifest()，從其返回的Manifest對象中取getAttrebutes("Main-Class")的值，即jar 包中文件：META-INF/MANIFEST.MF指定的Main-Class的主類名作為運行的主類。之后main函數(shù)會調(diào)用Java.c中LoadClass方法裝載該主類(使用JNIEnv實例的FindClass)。

運行Class的時候，main函數(shù)直接調(diào)用Java.c中的LoadClass方法裝載該類。

Class文件

Class文件由Java編譯器生成，我們創(chuàng)建的.Java文件在經(jīng)過編譯器后，會變成.Class的文件，這樣才能被JVM所識別并運行。

類加載子系統(tǒng)

類加載子系統(tǒng)也可以稱之為類加載器，JVM默認提供三個類加載器：

1、BootStrap ClassLoader ：稱之為啟動類加載器，是最頂層的類加載器，負責加載JDK中的核心類庫，如 rt.jar、resources.jar、charsets.jar等。

2、Extension ClassLoader：稱之為擴展類加載器，負責加載Java的擴展類庫，默認加載$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar 或 -Djava.ext.dirs指定目錄下的jar包。

3、App ClassLoader：稱之為系統(tǒng)類加載器，負責加載應用程序classpath目錄下所有jar和class文件。

除了Java默認提供的三個ClassLoader(加載器)之外，我們還可以根據(jù)自身需要自定義ClassLoader，自定義ClassLoader必須繼承java.lang.ClassLoader 類。除了BootStrap ClassLoader 之外的另外兩個默認加載器都是繼承自java.lang.ClassLoader 。BootStrap ClassLoader 不是一個普通的Java類，它底層由C++編寫，已嵌入到了JVM的內(nèi)核當中，當JVM啟動后，BootStrap ClassLoader 也隨之啟動，負責加載完核心類庫后，并構(gòu)造Extension ClassLoader 和App ClassLoader 類加載器。

類加載器子系統(tǒng)不僅僅負責定位并加載類文件，它還嚴格按照以下步驟做了很多事情：

• 加載：尋找并導入Class文件的二進制信息2、連接：進行驗證、準備和解析
• 驗證：確保導入類型的正確性
• 準備：為類型分配內(nèi)存并初始化為默認值
• 解析：將字符引用解析為直接引用
• 初始化：調(diào)用Java代碼，初始化類變量為指定初始值

方法區(qū)(Method Area)

在JVM中，類型信息和類靜態(tài)變量都保存在方法區(qū)中，類型信息是由類加載器在類加載的過程中從類文件中提取出來的信息。

需要注意的一點是，常量池也存放于方法區(qū)中。

程序中所有的線程共享一個方法區(qū)，所以訪問方法區(qū)的信息必須確保線程是安全的。如果有兩個線程同時去加載一個類，那么只能有一個線程被允許去加載這個類，另一個必須等待。

在程序運行時，方法區(qū)的大小是可以改變的，程序在運行時可以擴展。

方法區(qū)也可以被垃圾回收，但條件非常嚴苛，必須在該類沒有任何引用的情況下

類型信息包括什么?

1、類型的全名(The fully qualified name of the type)

2、類型的父類型全名(除非沒有父類型，或者父類型是java.lang.Object)(The fully qualified name of the typeís direct superclass)

3、該類型是一個類還是接口(class or an interface)(Whether or not the type is a class )

4、類型的修飾符(public，private，protected，static，final，volatile，transient等)(The typeís modifiers)

5、所有父接口全名的列表(An ordered list of the fully qualified names of any direct superinterfaces)

6、類型的字段信息(Field information)

7、類型的方法信息(Method information)

8、所有靜態(tài)類變量(非常量)信息(All class (static) variables declared in the type, except constants)

9、一個指向類加載器的引用(A reference to class ClassLoader)

10、一個指向Class類的引用(A reference to class Class)

11、基本類型的常量池(The constant pool for the type)

方法列表(Method Tables)

為了更高效的訪問所有保存在方法區(qū)中的數(shù)據(jù)，在方法區(qū)中，除了保存上邊的這些類型信息之外，還有一個為了加快存取速度而設計的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：方法列表。每一個被加載的非抽象類，Java虛擬機都會為他們產(chǎn)生一個方法列表，這個列表中保存了這個類可能調(diào)用的所有實例方法的引用，保存那些父類中調(diào)用的方法。

Java堆(JVM堆、Heap)

當Java創(chuàng)建一個類的實例對象或者數(shù)組時，都在堆中為新的對象分配內(nèi)存。

虛擬機中只有一個堆，程序中所有的線程都共享它。

堆占用的內(nèi)存空間是最多的。

堆的存取類型為管道類型，先進先出。

在程序運行中，可以動態(tài)的分配堆的內(nèi)存大小。

堆的內(nèi)存資源回收是交給JVM GC進行管理的，

Java棧(JVM棧、Stack)

在Java棧中只保存基礎數(shù)據(jù)類型和自定義對象的引用，注意只是對象的引用而不是對象本身哦，對象是保存在堆區(qū)中的。

拓展知識：像String、Integer、Byte、Short、Long、Character、Boolean這六個屬于包裝類型，它們是存放于堆中的。

棧的存取類型為類似于水杯，先進后出。

棧內(nèi)的數(shù)據(jù)在超出其作用域后，會被自動釋放掉，它不由JVM GC管理。

每一個線程都包含一個棧區(qū)，每個棧中的數(shù)據(jù)都是私有的，其他棧不能訪問。

每個線程都會建立一個操作棧，每個棧又包含了若干個棧幀，每個棧幀對應著每個方法的每次調(diào)用，每個棧幀包含了三部分：

局部變量區(qū)(方法內(nèi)基本類型變量、變量對象指針)

操作數(shù)棧區(qū)(存放方法執(zhí)行過程中產(chǎn)生的中間結(jié)果)

運行環(huán)境區(qū)(動態(tài)連接、正確的方法返回相關(guān)信息、異常捕捉)

標題名稱：什么是JVM？一文簡談運行機制及基本原理
文章網(wǎng)址：http://www.5511xx.com/article/dpsoics.html