JVM原理分析，看了都說好

• 2019 年 10 月 6 日
• 筆記

1 什麼是JVM？

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫，是通過在實際的電腦上模擬模擬各種電腦功能來實現的。由一套位元組碼指令集、一組暫存器、一個棧、一個垃圾回收堆和一個存儲方法域等組成。JVM屏蔽了與作業系統平台相關的資訊，使得Java程式只需要生成在Java虛擬機上運行的目標程式碼（位元組碼），就可在多種平台上不加修改的運行，這也是Java能夠「一次編譯，到處運行的」原因。

2 JRE、JDK和JVM的關係

JRE（Java Runtime Environment， Java運行環境）是Java平台，所有的程式都要在JRE下才能夠運行。包括JVM和Java核心類庫和支援文件。

JDK（Java Development Kit，Java開發工具包）是用來編譯、調試Java程式的開發工具包。包括Java工具（javac/java/jdb等）和Java基礎的類庫（java API ）。

JVM（Java Virtual Machine， Java虛擬機）是JRE的一部分。JVM主要工作是解釋自己的指令集（即位元組碼）並映射到本地的CPU指令集和OS的系統調用。Java語言是跨平台運行的，不同的作業系統會有不同的JVM映射規則，使之與作業系統無關，完成跨平台性。

下圖表示了JDK、JRE和JVM三者間的關係：

總結：使用JDK（調用JAVA API）開發JAVA程式後，通過JDK中的編譯程式（javac）將Java程式編譯為Java位元組碼，在JRE上運行這些位元組碼，JVM會解析並映射到真實作業系統的CPU指令集和OS的系統調用。

3 JVM原理

Java 體系結構介紹：

• Class Loader（類載入器）：用於裝載.class文件。
• Execution Engine（執行引擎）：用於執行位元組碼或者本地方法。
• 運行時數據區：方法區、堆、java棧、pc暫存器、本地方法棧。

JVM生命周期介紹：

Java實例對應一個獨立運行的Java程式（進程級別）

1.啟動。啟動一個Java程式，一個JVM實例就產生。擁有public static void main(String[] args)函數的class可以作為JVM實例運行的起點。

2.運行。main()作為程式初始執行緒的起點，任何其他執行緒均可由該執行緒啟動。JVM內部有兩種執行緒：守護執行緒和非守護執行緒，main()屬於非守護執行緒，守護執行緒通常由JVM使用，程式可以指定創建的執行緒為守護執行緒。

3.消亡。當程式中的所有非守護執行緒都終止時，JVM才退出；若安全管理器允許，程式也可以使用Runtime類或者System.exit()來退出。

JVM執行引擎實例則對應了屬於用戶運行程式執行緒它是執行緒級別的。

Java類載入器：

Java載入類的過程：

1.裝載（loading）：負責找到二進位位元組碼並載入至JVM中，JVM通過類名、類所在的包名、ClassLoader完成類的載入。因此，標識一個被載入了的類：類名 + 包名 + ClassLoader實例ID。

2.鏈接（linking）：負責對二進位位元組碼的格式進行校驗、初始化裝載類中的靜態變數以及解析類中調用的介面。

完成校驗後，JVM初始化類中的靜態變數，並將其賦值為默認值。

最後對比類中的所有屬性、方法進行驗證，以確保要調用的屬性、方法存在，以及具備訪問許可權（例如private、public等），否則會造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等錯誤資訊。

3.初始化（initializing）：負責執行類中的靜態初始化程式碼、構造器程式碼以及靜態屬性的初始化，以下四種情況初始化過程會被觸發。

• 調用 new
• 反射調用了類中的方法
• 子類調用了初始化
• JVM啟動過程終止定的初始化類

JVM類載入順序：

層級結構

1.Booststrap ClassLoader

跟ClassLoader，C++實現，JVM啟動時初始化此ClassLoader，並由此完成$JAVA_HONE中jre/lib/rt.jar（Sun JDK的實現）中所有class文件的載入，這個jar中包含了java規範定義的所有介面以及實現。

2.Extension ClassLoader

JVM用此classloader來載入擴展功能的一些jar包

3.System ClassLoader

JVM用此ClassLoader來載入啟動參數中指定的ClassPath中的jar包以及目錄，在Sun JDK中ClassLoader對應的類名為AppClassLoader。

4.User-Defined ClassLoader

User-Defined ClassLoader是Java開發人員繼承ClassLoader抽象類實現的ClassLoader，基於自定義的ClassLoader可用於載入非ClassPath中的jar以及目錄。

委派模式（Delegation Mode）

當JVM載入一個類的時候，下層的載入器會將任務給上一層類載入器，上一層載入檢查它的命名空間中是否已經載入這個類，如果已經載入，直接使用這個類。如果沒有載入，繼續往上委託直到頂部。檢查之後，按照相反的順序進行載入。如果Bootstrap載入器不到這個類，則往下委託，直到找到這個類。一個類可以被不同的類載入器載入。

可見性限制：下層的載入器能夠看到上層載入器中的類，反之則不行，委派只能從下到上。

不允許卸載類：類載入器可以載入一個類，但不能夠卸載一個類。但是類載入器可以被創建或者刪除。

JVM執行引擎

類載入器將位元組碼載入記憶體後，執行引擎以java位元組碼為單元，讀取java位元組碼。java位元組碼機器讀不懂，必須將位元組碼轉化為平台相關的機器碼。這個過程就是由執行引擎完成的。

在執行方法時JVM提供了四種指令來執行：

• invokestatic:調用類的static方法。
• invokevirtual:調用對象實例的方法。
• invokeinterface：將屬性定義為介面來進行調用。
• invokespecial：JVM對於初始化對象（Java構造器的方法為：）以及調用對象實例的私有方法時。

主要的執行計數：

• 解釋，即時執行，自適應優化、晶片級直接執行。
• 解釋屬於第一代JVM
• 即時編譯JIT屬於第二代JVM

自適應優化（目前sun的HotspotJVM採用這種技術），吸取第一代JVM和第二代JVM的經驗，採用兩者結合的方式，開始對所有的程式碼都採用解釋執行的方式，並監視程式碼執行情況，然後對那些經常調用的方法啟動一個後台執行緒，將其編譯為本地程式碼，並進行優化。若方法不再頻繁使用，則取消編譯過程式碼，仍對其進行解釋執行。

Java運行時數據區

PC暫存器

用於存儲每個執行緒下一步將要執行的JVM指令，若該方法為native的，則PC暫存器中不存儲任何資訊。Java多執行緒情況下，每個執行緒都有一個自己的PC，以便完成不同執行緒上下文環境的切換。

JVM棧

JVM棧是執行緒私有的，每個執行緒創建的同時都會創建JVM棧，JVM棧中存放當前執行緒中局部基本類型的變數（Java中定義的八種基本類型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double）、部分的返回結果以及Stack Frame，非基本類型的對象在JVM棧上僅存放一個指向堆的地址。

堆（Heap）

它是JVM用來存儲對象實例以及數組值的區域，可以認為Java中所有通過new創建的對象的記憶體都在此分配，Heap中的對象的記憶體需要等待GC進行回收。

堆在JVM啟動的時候就被創建，堆中儲存了各種對象，這些對象被自動管理記憶體系統（Automatic Storage Management System），也就是常說的「Garbage Collector（垃圾回收器）」管理。這些對象無需、也無法顯示地被銷毀。

JVM將Heap分為兩塊：新生代New Generation和舊生代Old Generation

堆是JVM中所有執行緒共享的，因此在其上進行對象記憶體的分配均需要進行加鎖，導致new對象的開銷比較大。

Sun Hotspot JVM為了提升對象記憶體分配的效率，對於所有創建的執行緒都會分配一塊獨立的空間TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根據運行的情況計算而得，在TLAB上分配對象時不需要加鎖，因此JVM在給執行緒對象分配記憶體時會盡量的在TLAB上分配，在這種情況下JVM中分配對象記憶體的性能和C基本是一樣的，但如果對象過大的話則仍然要直接使用堆空間分配。

TLAB僅作用於新生代的Eden Space，因此在編寫Java程式時，通常多個小的對象比大的對象分配起來更加高效。

所有新創建的Object都將會存儲在新生代Young Generation中。如果Young Generation的數據在一次或多次GC後存活下來，那麼將被轉移到OldGeneration。新的Object總是創建在Eden Space。

方法區域（Method Area）

在Sun JDK中這塊區域對應的為PermanetGeneration，又稱為持久代。

方法區域存放所載入類的資訊（名稱、修飾符等）、類中的靜態變數、類中定義為final類型的常量、類中的Field資訊、類中的方法資訊，當開發人員在程式中通過Class對象中的getName，isInstance等方法來獲取資訊時，這些數據都來源於方法區域，同時方法區域也是全局共享的，在一定條件下它也會被GC，當方法區域需要使用的記憶體超過其允許的大小時，就會拋出OutOfMemory的錯誤資訊。

運行時常量池（Runtime Constant Pool）

存放的為類中的固定常量資訊、方法和Field的引用資訊等，其空間從方法區域中分配。

本地方法堆棧（Native Method Stacks）

JVM採用本地方法堆來支援native方法的執行，此區域用於存儲每個native方法調用的狀態。

JVM垃圾回收

GC的基本原理：將記憶體中不再被使用的對象進行回收，GC中用於回收的方法稱為收集器，由於GC需要消耗一些資源和時間，Java在對對象生命周期特徵進行分析後，按照新生代、舊生代的方式來對對象進行收集，以儘可能的縮短GC對應用造成的暫停。

對新生代的對象收集稱為minor GC

對舊生代的對象收集稱為Full GC

程式中主動調用System.gc（）強制執行的GC為Full GC。

不同的對象引用類型，GC會採用不同的方法進行回收，JVM對象的引用分為了四種類型：

• 強引用：默認情況下，對象採用的均為強引用（這個對象的實例沒有其他對象引用時， GC時才會被回收）
• 軟引用：軟引用是Java中提供的一種比較適合於快取場景的應用（只有記憶體不夠的情況下才會被GC）
• 弱引用：在GC時一定會被GC回收。
• 虛引用：虛引用只是用來得知對象是否被GC。