什么是 JVM？深入解析 JVM 原理！

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 一、JVM 是什么？

JVM 是 Java Virtual Machine（Java 虚拟机）的缩写，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。由一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域等组成。JVM 屏蔽了与操作系统平台相关的信息，使得 Java 程序只需要生成在 Java 虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可在多种平台上不加修改的运行，这也是 Java 能够“一次编译，到处运行的”原因。

二、JRE、JDK 和 JVM 的关系

JRE（Java Runtime Environment， Java 运行环境）是 Java 平台，所有的程序都要在 JRE 下才能够运行。包括 JVM 和 Java 核心类库和支持文件。

JDK（Java Development Kit，Java 开发工具包）是用来编译、调试 Java 程序的开发工具包。包括 Java 工具（javac/java/jdb 等）和 Java 基础的类库（java API ）。

JVM（Java Virtual Machine， Java 虚拟机）是 JRE 的一部分。JVM 主要工作是解释自己的指令集（即字节码）并映射到本地的 CPU 指令集和 OS 的系统调用。Java 语言是跨平台运行的，不同的操作系统会有不同的 JVM 映射规则，使之与操作系统无关，完成跨平台性。

下图表示了 JDK、JRE 和 JVM 三者间的关系：

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总结：使用 JDK（调用 JAVA API）开发 JAVA 程序后，通过 JDK 中的编译程序（javac）将 Java 程序编译为 Java 字节码，在 JRE 上运行这些字节码，JVM 会解析并映射到真实操作系统的 CPU 指令集和 OS 的系统调用。

三、JVM 原理

java 体系结构介绍：

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Class Loader（类加载器）：用于装载.class 文件。

Execution Engine（执行引擎）：用于执行字节码或者本地方法。

运行时数据区：方法区、堆、java 栈、pc 寄存器、本地方法栈。

1、JVM 生命周期介绍

Java 实例对应一个独立运行的 Java 程序（进程级别）

（1）启动

启动一个 Java 程序，一个 JVM 实例就产生。拥有 public static void main(String[] args)函数的 class 可以作为 JVM 实例运行的起点。

（2）运行

main()作为程序初始线程的起点，任何其他线程均可由该线程启动。JVM 内部有两种线程：守护线程和非守护线程，main()属于非守护线程，守护线程通常由 JVM 使用，程序可以指定创建的线程为守护线程。

（3）消亡

当程序中的所有非守护线程都终止时，JVM 才退出；若安全管理器允许，程序也可以使用 Runtime 类或者 System.exit()来退出。

JVM 执行引擎实例则对应了属于用户运行程序线程它是线程级别的。

2、Java 类加载器

Java 加载类的过程

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（1）装载（loading）

负责找到二进制字节码并加载至 JVM 中，JVM 通过类名、类所在的包名、ClassLoader 完成类的加载。因此，标识一个被加载了的类：类名 + 包名 + ClassLoader 实例 ID。

（2）链接（linking）

负责对二进制字节码的格式进行校验、初始化装载类中的静态变量以及解析类中调用的接口。完成校验后，JVM 初始化类中的静态变量，并将其赋值为默认值。最后对比类中的所有属性、方法进行验证，以确保要调用的属性、方法存在，以及具备访问权限（例如 private、public 等），否则会造成 NoSuchMethodError、NoSuchFieldError 等错误信息。

（3）初始化（initializing）

负责执行类中的静态初始化代码、构造器代码以及静态属性的初始化，以下四种情况初始化过程会被触发。

①调用 new

②反射调用了类中的方法

③子类调用了初始化

④JVM 启动过程终止定的初始化类

JVM 类加载顺序

（1）层级结构

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①Booststrap ClassLoader

跟 ClassLoader，C++实现，JVM 启动时初始化此 ClassLoader，并由此完成 $JAVA_HONE 中 jre/lib/rt.jar（Sun JDK 的实现）中所有 class 文件的加载，这个 jar 中包含了 java 规范定义的所有接口以及实现。

②Extension ClassLoader

JVM 用此 classloader 来加载扩展功能的一些 jar 包

③System ClassLoader

JVM 用此 ClassLoader 来加载启动参数中指定的 ClassPath 中的 jar 包以及目录，在 Sun JDK 中 ClassLoader 对应的类名为 AppClassLoader。

④User-Defined ClassLoader

User-Defined ClassLoader 是 Java 开发人员继承 ClassLoader 抽象类实现的 ClassLoader，基于自定义的 ClassLoader 可用于加载非 ClassPath 中的 jar 以及目录。

（2）委派模式（Delegation Mode）

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当 JVM 加载一个类的时候，下层的加载器会将任务给上一层类加载器，上一层加载检查它的命名空间中是否已经加载这个类，如果已经加载，直接使用这个类。如果没有加载，继续往上委托直到顶部。检查之后，按照相反的顺序进行加载。如果 Bootstrap 加载器不到这个类，则往下委托，直到找到这个类。一个类可以被不同的类加载器加载。

可见性限制：下层的加载器能够看到上层加载器中的类，反之则不行，委派只能从下到上。

不允许卸载类：类加载器可以加载一个类，但不能够卸载一个类。但是类加载器可以被创建或者删除。

（3）JVM 执行引擎

类加载器将字节码载入内存后，执行引擎以 java 字节码为单元，读取 java 字节码。java 字节码机器读不懂，必须将字节码转化为平台相关的机器码。这个过程就是由执行引擎完成的。

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在执行方法时 JVM 提供了四种指令来执行

①invokestatic:调用类的 static 方法。

②invokevirtual:调用对象实例的方法。

③invokeinterface：将属性定义为接口来进行调用。

④invokespecial：JVM 对于初始化对象（Java 构造器的方法为：）以及调用对象实例的私有方法时。

主要的执行计数：

解释，即时执行，自适应优化、芯片级直接执行。

解释属于第一代 JVM

即时编译 JIT 属于第二代 JVM

自适应优化（目前 sun 的 HotspotJVM 采用这种技术），吸取第一代 JVM 和第二代 JVM 的经验，采用两者结合的方式，开始对所有的代码都采用解释执行的方式，并监视代码执行情况，然后对那些经常调用的方法启动一个后台线程，将其编译为本地代码，并进行优化。若方法不再频繁使用，则取消编译过代码，仍对其进行解释执行。

3、java 运行时数据区

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4、PC 寄存器

用于存储每个线程下一步将要执行的 JVM 指令，若该方法为 native 的，则 PC 寄存器中不存储任何信息。Java 多线程情况下，每个线程都有一个自己的 PC，以便完成不同线程上下文环境的切换。

5、JVM 栈

JVM 栈是线程私有的，每个线程创建的同时都会创建 JVM 栈，JVM 栈中存放当前线程中局部基本类型的变量（Java 中定义的八种基本类型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double）、部分的返回结果以及 Stack Frame，非基本类型的对象在 JVM 栈上仅存放一个指向堆的地址。

6、堆（Heap）

它是 JVM 用来存储对象实例以及数组值的区域，可以认为 Java 中所有通过 new 创建的对象的内存都在此分配，Heap 中的对象的内存需要等待 GC 进行回收。

堆在 JVM 启动的时候就被创建，堆中储存了各种对象，这些对象被自动管理内存系统（Automatic Storage Management System），也就是常说的“Garbage Collector（垃圾回收器）”管理。这些对象无需、也无法显示地被销毁。

JVM 将 Heap 分为两块：新生代 New Generation 和旧生代 Old Generation

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堆是 JVM 中所有线程共享的，因此在其上进行对象内存的分配均需要进行加锁，导致 new 对象的开销比较大。

Sun Hotspot JVM 为了提升对象内存分配的效率，对于所有创建的线程都会分配一块独立的空间 TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由 JVM 根据运行的情况计算而得，在 TLAB 上分配对象时不需要加锁，因此 JVM 在给线程对象分配内存时会尽量的在 TLAB 上分配，在这种情况下 JVM 中分配对象内存的性能和 C 基本是一样的，但如果对象过大的话则仍然要直接使用堆空间分配。

TLAB 仅作用于新生代的 Eden Space，因此在编写 Java 程序时，通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效。

所有新创建的 Object 都将会存储在新生代 Young Generation 中。如果 Young Generation 的数据在一次或多次 GC 后存活下来，那么将被转移到 OldGeneration。新的 Object 总是创建在 Eden Space。

7、方法区域（Method Area）

在 Sun JDK 中这块区域对应的为 PermanetGeneration，又称为持久代。

方法区域存放所加载类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态变量、类中定义为 final 类型的常量、类中的 Field 信息、类中的方法信息，当开发人员在程序中通过 Class 对象中的 getName，isInstance 等方法来获取信息时，这些数据都来源于方法区域，同时方法区域也是全局共享的，在一定条件下它也会被 GC，当方法区域需要使用的内存超过其允许的大小时，就会抛出 OutOfMemory 的错误信息。

8、运行时常量池（Runtime Constant Pool）

存放的为类中的固定常量信息、方法和 Field 的引用信息等，其空间从方法区域中分配。

9、本地方法堆栈（Native Method Stacks）

JVM 采用本地方法堆来支持 native 方法的执行，此区域用于存储每个 native 方法调用的状态。

10、JVM 垃圾回收

GC 的基本原理：将内存中不再被使用的对象进行回收，GC 中用于回收的方法称为收集器，由于 GC 需要消耗一些资源和时间，Java 在对对象生命周期特征进行分析后，按照新生代、旧生代的方式来对对象进行收集，以尽可能的缩短 GC 对应用造成的暂停。

对新生代的对象收集称为 minor GC

对旧生代的对象收集称为 Full GC

程序中主动调用 System.gc（）强制执行的 GC 为 Full GC。

不同的对象引用类型，GC 会采用不同的方法进行回收，JVM 对象的引用分为了四种类型：

①强引用：默认情况下，对象采用的均为强引用（这个对象的实例没有其他对象引用时， GC 时才会被回收）

②软引用：软引用是 Java 中提供的一种比较适合于缓存场景的应用（只有内存不够的情况下才会被 GC）

③弱引用：在 GC 时一定会被 GC 回收。

④虚引用：虚引用只是用来得知对象是否被 GC。

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