小师妹学JVM之:JVM的架构和执行过程
文章目錄
- 簡(jiǎn)介
- JVM是一種標(biāo)準(zhǔn)
- java程序的執(zhí)行順序
- JVM的架構(gòu)
- 類加載系統(tǒng)
- 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域
- 執(zhí)行引擎
- 總結(jié)
簡(jiǎn)介
JVM也叫Java Virtual Machine，它是java程序運(yùn)行的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)將java bytecode轉(zhuǎn)換成為適合在各個(gè)不同操作系統(tǒng)中運(yùn)行的機(jī)器代碼并運(yùn)行。今天我們和小師妹一起走進(jìn)java的核心JVM，領(lǐng)略java在設(shè)計(jì)上的哲學(xué)。
JVM是一種標(biāo)準(zhǔn)
小師妹:F師兄,經(jīng)常聽到有人說(shuō)hotspot VM,這個(gè)跟JVM是什么關(guān)系？
其實(shí)吧，JVM只是一種標(biāo)準(zhǔn)，就像是一種協(xié)議，只要是實(shí)現(xiàn)和滿足這種協(xié)議的都可以稱為JVM。當(dāng)然，java現(xiàn)在是Oracle公司的，所以這些所謂的JVM標(biāo)準(zhǔn)也是由Oracle來(lái)頒布的，如果你去查看Oracle的文檔，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有一個(gè)專門的Java SE Specifications欄目，這個(gè)欄目中列出了JVM的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，最新的標(biāo)準(zhǔn)就是The Java Virtual Machine Specification, Java SE 14 Edition。
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既然JVM是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，就可能有很多種實(shí)現(xiàn)。各大公司在滿足JVM標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了很多個(gè)不同的版本。
下面是我在維基百科中截取到的目前各個(gè)JVM的比較：
小師妹：F師兄，大家齊心協(xié)力做一個(gè)JVM不是更好嗎？為什么分來(lái)分去的，還要重復(fù)造輪子？
有聽過Oracle和Google之間的API十年訴訟案嗎？API都不能順便用，更何況是JVM。各大廠商為了各自的利益，最終搞出了這么多個(gè)JVM的版本。
在這些JVM中，最常用的就是HotSpot JVM了，畢竟它是Oracle的親兒子，或者可以說(shuō)HotSpot JVM就是JVM的標(biāo)準(zhǔn)。
接下來(lái)就是Eclipse OpenJ9,這個(gè)是由IBM主導(dǎo)的JVM，一般只能跟IBM的產(chǎn)品一起使用的，因?yàn)橛性S可證限制。
java程序的執(zhí)行順序
為了說(shuō)明JVM的作用，我們先來(lái)回顧一下java程序的執(zhí)行順序。
JVM的架構(gòu)
小師妹：F師兄，Java語(yǔ)言那么多特性，最后都要在JVM中運(yùn)行，JVM的架構(gòu)是不是特別復(fù)雜？好怕我聽不懂。
其實(shí)吧，JVM可以分為三大部分，五大空間和三大引擎，要講起來(lái)也不是特別復(fù)雜，先看下面的總體的JVM架構(gòu)圖。
從上面的圖中，我們可以看到JVM中有三大部分，分別是類加載系統(tǒng)，運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域和Execution Engine。
類加載系統(tǒng)
類加載系統(tǒng)分為三個(gè)階段，分別是加載，鏈接和初始化。
加載大家都很清楚了，java中有個(gè)專門的ClassLoader來(lái)負(fù)責(zé)這個(gè)事情。除了加載Class之外，ClassLoader還可以用來(lái)加載resources。
在JDK9之前，系統(tǒng)默認(rèn)有三個(gè)類加載器，分別是：
這個(gè)類加載器主要是加載 /jre/lib下面的rt.jar，并且這個(gè)類加載器是用C/C++來(lái)編寫的，并且它是后面Extension ClassLoader的父ClassLoader。
這個(gè)類應(yīng)該在java代碼中找不到的（correct me if I am wrong!）。
這個(gè)類加載器主要加載JDK的擴(kuò)展類 /jre/lib/ext，它的實(shí)現(xiàn)類是 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader ：
static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {private static volatile Launcher.ExtClassLoader instance;public static Launcher.ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException {if (instance == null) {Class var0 = Launcher.ExtClassLoader.class;synchronized(Launcher.ExtClassLoader.class) {if (instance == null) {instance = createExtClassLoader();}}}return instance;}我們看下它的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上它創(chuàng)建了一個(gè)單例模式，使用的是雙重檢查加鎖，小師妹可以考慮一下怎么使用延遲初始化占位類的方式來(lái)重新這個(gè)類。
這個(gè)加載器是加載定義在ClassLoader中的類。它的實(shí)現(xiàn)類是sun.misc.Launcher$AppClassLoader，這個(gè)類的實(shí)現(xiàn)很長(zhǎng)，這里就不完整列出來(lái)了：
static class AppClassLoader extends URLClassLoader在JDK9之后，因?yàn)橐肓薐PMS模塊的概念，所以類加載器變得不一樣了，在JDK9之后還是有三個(gè)內(nèi)置的類加載器，分別是BootClassLoader，PlatformClassLoader和AppClassLoader：
private static class BootClassLoader extends BuiltinClassLoader {BootClassLoader(URLClassPath bcp) {super(null, null, bcp);}@Overrideprotected Class<?> loadClassOrNull(String cn, boolean resolve) {return JLA.findBootstrapClassOrNull(this, cn);}}; private static class PlatformClassLoader extends BuiltinClassLoader private static class AppClassLoader extends BuiltinClassLoaderLinking階段主要做了三件事情：
Initialization階段主要是調(diào)用class的父類和自身的初始化方法，來(lái)設(shè)置變量的初始值。
運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域
類加載好了，也初始化了，接下來(lái)就可以準(zhǔn)備運(yùn)行了。
運(yùn)行的時(shí)候要為數(shù)據(jù)分配運(yùn)行空間，這就是運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域的作用。
運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域又可以分為5個(gè)部分：
方法區(qū)是非Heap的內(nèi)存空間，主要用來(lái)存放class結(jié)構(gòu)，static fields, method, method’s data 和 static fields等。方法區(qū)是在JVM啟動(dòng)的時(shí)候創(chuàng)建的，并且在所有的線程中共享。
Run-Time Constant Pool運(yùn)行時(shí)常量池是放在方法區(qū)中的，他是class文件中constant_pool的運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)。
注意在JDK8之前，HotSpot JVM中對(duì)方法區(qū)的實(shí)現(xiàn)叫做持久代Perm Gen。不過在JDK8之后，Perm Gen已經(jīng)被取消了，現(xiàn)在叫做Metaspace。Metaspace并不在java虛擬機(jī)中，它使用的是本地內(nèi)存。Metaspace可以通過-XX:MaxMetaspaceSize來(lái)控制。
Heap Area主要存儲(chǔ)類對(duì)象和數(shù)組。垃圾回收器（GC）主要就是用來(lái)回收Heap Area中的對(duì)象的。
因?yàn)槭菞５慕Y(jié)構(gòu)，所以這個(gè)區(qū)域總是LIFO(Last in first out)。我們考慮一個(gè)方法的執(zhí)行，當(dāng)方法執(zhí)行的時(shí)候，就會(huì)在Stack Area中創(chuàng)建一個(gè)block，這個(gè)block中持有對(duì)本地對(duì)象和其他對(duì)象的引用。一旦方法執(zhí)行完畢，則這個(gè)block就會(huì)出棧，供其他方法訪問。
PC Registers主要用來(lái)對(duì)程序的執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，比如保存當(dāng)前的執(zhí)行地址，和下一步的地址等。
最后一個(gè)就是本地方法區(qū)了，因?yàn)镴VM的底層很多都是由C/C++來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些方法的實(shí)現(xiàn)就構(gòu)成了本地方法區(qū)。
執(zhí)行引擎
執(zhí)行引擎主要負(fù)責(zé)將java的字節(jié)碼翻譯成機(jī)器碼然后執(zhí)行。
先看一個(gè)java字節(jié)碼的內(nèi)在結(jié)構(gòu),大家可以隨便找一個(gè)編譯好的類，使用javap來(lái)進(jìn)行解析：
javap -v BufferUsage這里不過多介紹輸出結(jié)果的含義，我們會(huì)在后面的文章中進(jìn)行詳解。
這我們可以看到方法中都有一個(gè)Code片段，這些Code被稱為OpCode，是JVM可以理解的操作命令。
執(zhí)行引擎中里面又有三個(gè)部分：
翻譯器用來(lái)讀取上面介紹的OpCode，并將其翻譯成為機(jī)器語(yǔ)言。因?yàn)榉g器需要一個(gè)命令一個(gè)命令的翻譯字節(jié)碼，所以速度會(huì)比較慢。這就是很久很久以前Java被詬病的地方。
為了解決Interpreter翻譯慢的問題，JDK引入了JIT，對(duì)于那些經(jīng)常使用的代碼，JIT會(huì)將這些字節(jié)碼翻譯成為機(jī)器代碼，并直接復(fù)用這些機(jī)器代碼，從而提高了執(zhí)行效率。
GC用來(lái)回收Heap Area，他是一個(gè)Daemon thread。
總結(jié)
本文介紹了JVM的總體架構(gòu)信息。各個(gè)部分的細(xì)節(jié)信息會(huì)在后面的系列文章中陸續(xù)講解。歡迎大家關(guān)注小師妹系列。
本文作者：flydean程序那些事
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的小师妹学JVM之:JVM的架构和执行过程的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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