Java虚拟机工作原理详解
原文地址：http://blog.csdn.net/bingduanlbd/article/details/8363734
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一、類加載器
首先來看一下java程序的執(zhí)行過程。
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從這個(gè)框圖很容易大體上了解java程序工作原理。首先，你寫好java代碼，保存到硬盤當(dāng)中。然后你在命令行中輸入
[java] view plaincopy此時(shí)，你的java代碼就被編譯成字節(jié)碼（.class).如果你是在Eclipse IDE或者其他開發(fā)工具中，你保存代碼的時(shí)候，開發(fā)工具已經(jīng)幫你完成了上述的編譯工作，因此你可以在對應(yīng)的目錄下看到class文件。此時(shí)的class文 件依然是保存在硬盤中，因此，當(dāng)你在命令行中運(yùn)行
[java] view plaincopy就完成了上面紅色方框中的工作。JRE的來加載器從硬盤中讀取class文件，載入到系統(tǒng)分配給JVM的內(nèi)存區(qū)域--運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Areas). 然后執(zhí)行引擎解釋或者編譯類文件，轉(zhuǎn)化成特定CPU的機(jī)器碼，CPU執(zhí)行機(jī)器碼，至此完成整個(gè)過程。
接下來就重點(diǎn)研究一下類加載器究竟為何物？又是如何工作的？
首先看一下來加載器的一些特點(diǎn)，有點(diǎn)抽象，不過總有幫助的。
》》層級結(jié)構(gòu)
類加載器被組織成一種層級結(jié)構(gòu)關(guān)系，也就是父子關(guān)系。其中，Bootstrap是所有類加載器的父親。如下圖所示：
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--Bootstrap class loader：
當(dāng)運(yùn)行java虛擬機(jī)時(shí)，這個(gè)類加載器被創(chuàng)建，它加載一些基本的java API，包括Object這個(gè)類。需要注意的是，這個(gè)類加載器不是用java語言寫的，而是用C/C++寫的。
--Extension class loader:
這個(gè)加載器加載出了基本API之外的一些拓展類，包括一些與安全性能相關(guān)的類。（目前了解得不是很深，只能籠統(tǒng)說，待日后再詳細(xì)說明）
--System Class Loader:
它加載應(yīng)用程序中的類，也就是在你的classpath中配置的類。
--User-Defined Class Loader:
這是開發(fā)人員通過拓展ClassLoader類定義的自定義加載器，加載程序員定義的一些類。
》》委派模式（Delegation Mode）
仔細(xì)看上面的層次結(jié)構(gòu)，當(dāng)JVM加載一個(gè)類的時(shí)候，下層的加載器會(huì)將將任務(wù)委托給上一層類加載器，上一層加載檢查它的命名空間中是否已經(jīng)加載這個(gè) 類，如果已經(jīng)加載，直接使用這個(gè)類。如果沒有加載，繼續(xù)往上委托直到頂部。檢查完了之后，按照相反的順序進(jìn)行加載，如果Bootstrap加載器找不到這 個(gè)類，則往下委托，直到找到類文件。對于某個(gè)特定的類加載器來說，一個(gè)Java類只能被載入一次，也就是說在Java虛擬機(jī)中，類的完整標(biāo)識(shí)是 （classLoader，package，className）。一個(gè)雷可以被不同的類加載器加載。
舉個(gè)具體的例子來說明，現(xiàn)在加入我有一個(gè)自己定義的類MyClass需要加載，如果不指定的話，一般交App（System）加載。接到任務(wù) 后，System檢查自己的庫里是否已經(jīng)有這個(gè)類，發(fā)現(xiàn)沒有之后委托給Extension，Extension進(jìn)行同樣的檢查，發(fā)現(xiàn)還是沒有繼續(xù)往上委 托，最頂層的Boots發(fā)現(xiàn)自己庫里也沒有，于是根據(jù)它的路徑（Java 核心類庫，如java.lang）嘗試去加載，沒找到這個(gè)MaClass類，于是只好（人家看好你，交給你完成，你無能為力，只好交給別人啦）往下委托給 Extension，Extension到自己的路徑（JAVA_HOME/jre/lib/ext)是找，還是沒找到，繼續(xù)往下，此時(shí)System加載 器到classpath路徑尋找，找到了，于是加載到Java虛擬機(jī)。
現(xiàn)在假設(shè)我們將這個(gè)類放到JAVA_HOME/jre/lib/ext這個(gè)路徑中去（相當(dāng)于交給Extension加載器加載），按照同樣的規(guī)則， 最后由Extension加載器加載MyClass類，看到了吧，統(tǒng)一各類被兩次加載到JVM，但是每次都是由不同的ClassLoader完成。
》》可見性限制
下層的加載器能夠看到上層加載器中的類，反之則不行，也就是是說委托只能從下到上。
》》不允許卸載類
類加載器可以加載一個(gè)類，但是它不能卸載一個(gè)類。但是類加載器可以被刪除或者被創(chuàng)建。
當(dāng)類加載完畢之后，JVM繼續(xù)按照下圖完成其他工作：
框圖中各個(gè)步驟簡單介紹如下：
Loading：文章前面介紹的類加載，將文件系統(tǒng)中的Class文件載入到JVM內(nèi)存（運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)域）
Verifying：檢查載入的類文件是否符合Java規(guī)范和虛擬機(jī)規(guī)范。
Preparing：為這個(gè)類分配所需要的內(nèi)存，確定這個(gè)類的屬性、方法等所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。（Prepare a data structure that assigns the memory required by classes and indicates the fields, methods, and interfaces defined in the class.）
Resolving：將該類常量池中的符號(hào)引用都改變?yōu)橹苯右谩?#xff08;不是很理解）
Initialing：初始化類的局部變量，為靜態(tài)域賦值，同時(shí)執(zhí)行靜態(tài)初始化塊。
那么，Class Loader在加載類的時(shí)候，究竟做了些什么工作呢？
要了解這其中的細(xì)節(jié)，必須得先詳細(xì)介紹一下運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)域。
二、運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)域
Runtime Data Areas：當(dāng)運(yùn)行一個(gè)JVM示例時(shí)，系統(tǒng)將分配給它一塊內(nèi)存區(qū)域（這塊內(nèi)存區(qū)域的大小可以設(shè)置的），這一內(nèi)存區(qū)域由JVM自己來管理。從這一塊內(nèi)存中分 出一塊用來存儲(chǔ)一些運(yùn)行數(shù)據(jù)，例如創(chuàng)建的對象，傳遞給方法的參數(shù)，局部變量，返回值等等。分出來的這一塊就稱為運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)域。運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)域可以劃分為6大 塊：Java棧、程序計(jì)數(shù)寄存器（PC寄存器）、本地方法棧（Native Method Stack）、Java堆、方法區(qū)域、運(yùn)行常量池（Runtime Constant Pool）。運(yùn)行常量池本應(yīng)該屬于方法區(qū)，但是由于其重要性，JVM規(guī)范將其獨(dú)立出來說明。其中，前面3各區(qū)域（PC寄存器、Java棧、本地方法棧）是 每個(gè)線程獨(dú)自擁有的，后三者則是整個(gè)JVM實(shí)例中的所有線程共有的。這六大塊如下圖所示：
》PC計(jì)數(shù)器：
每一個(gè)線程都擁有一個(gè)PC計(jì)數(shù)器，當(dāng)線程啟動(dòng)（start）時(shí)，PC計(jì)數(shù)器被創(chuàng)建，這個(gè)計(jì)數(shù)器存放當(dāng)前正在被執(zhí)行的字節(jié)碼指令（JVM指令）的地址。
》Java棧：
同樣的，Java棧也是每個(gè)線程單獨(dú)擁有，線程啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。這個(gè)棧中存放著一系列的棧幀（Stack Frame），JVM只能進(jìn)行壓入（Push）和彈出（Pop）棧幀這兩種操作。每當(dāng)調(diào)用一個(gè)方法時(shí)，JVM就往棧里壓入一個(gè)棧幀，方法結(jié)束返回時(shí)彈出棧 幀。如果方法執(zhí)行時(shí)出現(xiàn)異常，可以調(diào)用printStackTrace等方法來查看棧的情況。棧的示意圖如下：
OK。現(xiàn)在我們再來詳細(xì)看看每一個(gè)棧幀中都放著什么東西。從示意圖很容易看出，每個(gè)棧幀包含三個(gè)部分：本地變量數(shù)組，操作數(shù)棧，方法所屬類的常量池引用。
》局部（本地）變量數(shù)組：
局部（本地）變量數(shù)組中，從0開始按順序存放方法所屬對象的引用、傳遞給方法的參數(shù)、局部變量。舉個(gè)例子：
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[java] view plaincopy
這個(gè)方法的棧幀中的局部變量存儲(chǔ)的內(nèi)容分別是：
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[java] view plaincopy
看仔細(xì)了，其中double類型的b需要兩個(gè)連續(xù)的索引。取值的時(shí)候，取出的是2這個(gè)索引中的值。如果是靜態(tài)方法，則數(shù)組第0個(gè)不存放this引用，而是直接存儲(chǔ)傳遞的參數(shù)。
》操作數(shù)棧：
操作數(shù)棧中存放方法執(zhí)行時(shí)的一些中間變量，JVM在執(zhí)行方法時(shí)壓入或者彈出這些變量。其實(shí)，操作數(shù)棧是方法真正工作的地方，執(zhí)行方法時(shí)，局部變量數(shù)組與操作數(shù)棧根據(jù)方法定義進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。例如，執(zhí)行以下代碼時(shí)，操作數(shù)棧的情況如下：
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[java] view plaincopy
注意在這個(gè)圖中，操作數(shù)棧的地步是在上邊，所以先壓入的100位于上方。可以看出，操作數(shù)棧其實(shí)是一個(gè)數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)，存放一些中間變量，方法結(jié)束了，操作數(shù)棧也就沒有啦。
》棧幀中數(shù)據(jù)引用：
除了局部變量數(shù)組和操作數(shù)棧之外，棧幀還需要一個(gè)常量池的引用。當(dāng)JVM執(zhí)行到需要常量池的數(shù)據(jù)時(shí)，就是通過這個(gè)引用來訪問常量池的。棧幀中的數(shù)據(jù) 還要負(fù)責(zé)處理方法的返回和異常。如果通過return返回，則將該方法的棧幀從Java棧中彈出。如果方法有返回值，則將返回值壓入到調(diào)用該方法的方法的 操作數(shù)棧中。另外，數(shù)據(jù)區(qū)中還保存中該方法可能的異常表的引用。下面的例子用來說明：
[java] view plaincopy
執(zhí)行上述代碼時(shí)，Java棧如下圖所示：
花些時(shí)間好好研究上圖。一樣需要注意的是，棧的底部在上方，先押人員addAndPrint方法的棧幀，再壓入addTwoTypes方法的棧幀。上圖最右邊的文字說明有錯(cuò)誤，應(yīng)該是addTwoTypes的執(zhí)行結(jié)果存放在addAndPrint的操作數(shù)棧中。
》》本地方法棧
當(dāng)程序通過JNI（Java Native Interface）調(diào)用本地方法（如C或者C++代碼）時(shí)，就根據(jù)本地方法的語言類型建立相應(yīng)的棧。
》》方法區(qū)域
方法區(qū)域是一個(gè)JVM實(shí)例中的所有線程共享的，當(dāng)啟動(dòng)一個(gè)JVM實(shí)例時(shí)，方法區(qū)域被創(chuàng)建。它用于存運(yùn)行放常量池、有關(guān)域和方法的信息、靜態(tài)變量、類 和方法的字節(jié)碼。不同的JVM實(shí)現(xiàn)方式在實(shí)現(xiàn)方法區(qū)域的時(shí)候會(huì)有所區(qū)別。Oracle的HotSpot稱之為永久區(qū)域（Permanent Area）或者永久代（Permanent Generation）。
》》運(yùn)行常量池
這個(gè)區(qū)域存放類和接口的常量，除此之外，它還存放方法和域的所有引用。當(dāng)一個(gè)方法或者域被引用的時(shí)候，JVM就通過運(yùn)行常量池中的這些引用來查找方法和域在內(nèi)存中的的實(shí)際地址。
》》堆（Heap）
堆中存放的是程序創(chuàng)建的對象或者實(shí)例。這個(gè)區(qū)域?qū)VM的性能影響很大。垃圾回收機(jī)制處理的正是這一塊內(nèi)存區(qū)域。
所以，類加載器加載其實(shí)就是根據(jù)編譯后的Class文件，將java字節(jié)碼載入JVM內(nèi)存，并完成對運(yùn)行數(shù)據(jù)處于的初始化工作，供執(zhí)行引擎執(zhí)行。
三、 執(zhí)行引擎（Execution ?Engine）
類加載器將字節(jié)碼載入內(nèi)存之后，執(zhí)行引擎以Java 字節(jié)碼指令為但愿，讀取Java字節(jié)碼。問題是，現(xiàn)在的java字節(jié)碼機(jī)器是讀不懂的，因此還必須想辦法將字節(jié)碼轉(zhuǎn)化成平臺(tái)相關(guān)的機(jī)器碼。這個(gè)過程可以由 解釋器來執(zhí)行，也可以有即時(shí)編譯器（JIT Compiler）來完成。
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的Java虚拟机工作原理详解的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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