快速构建 JVM 整体认知 -JVM 的生命周期

JVM 的生命周期

JVM 规范系列断断续续已经写了半年，最近结合一些小伙伴们的建议进行了一次复盘，决定在写法上进行一些演进优化：

1. 更多地体现对内容的结构化分析，并以结构化的方式来组织内容。

2. 类 PPT 式地展现方法，突出重点。这种方式的另一个好处是：将来可以方便地作为视频的原始素材。

这次我们从宏观视角梳理 JVM 的生命周期。这是我 JVM 系列文章中的其中一篇，相对宏观，其它部分主要讲解 JVM 规范的局部细节：字节码分析、面向 JVM 的编译、方法调用与异常处理的底层原理、控制流程、运行时内存区域、数据类型等应有尽有。完整的 JVM 系列已发布在公众号：码神手记，也会陆续发布到 InfoQ，想要尽快获取的朋友马上关注公众号吧！

01 启动

一切始于 main 方法！JVM 通过触发一个初始类的加载而启动，这个初始类中应当包含 main 方法。JVM 会调用 main 方法从而驱动后续所有的执行。在 JVM 的实现中，可以通过命令行参数指定初始类，也可以通过设置一个类加载器来指定初始类。

02 加载

关于类加载，我们使用 4W+1H 的方式进行理解：

What：加载什么？

加载的是用二进制形式表示的类，也就是编译后的字节码文件中的内容。

When：何时加载？

一个类被加载的时机分为两种：

1. 启动类：当前类被指定为初始类，那么 JVM 在启动时会首先对其进行加载。

2. 引用：一个正要被加载的类直接或间接引用了当前类，比如：方法调用、字段访问、反射调用、继承、接口实现。

Who：谁来加载？

负责加载工作的通常是类加载器，所有的类加载器都继承自 ClassLoader 抽象类，它定义了类加载器的基本行为和步骤，子类可以进行自己的定制。

类加载器有如下分类：

1. 引导类加载器：用于加载标准的二进制形式的字节码文件。在 HotSpot 虚拟中还有扩展类加载、应用类加载器，这是 HotSpot 虚拟机在实现 JVM 规范时的扩展。

2. 自定义类加载器：可以根据需求自由发挥，加载来自网络、加密文件或者动态生成的字节码文件。

有一种特殊情况，当类型是数组时，将直接由虚拟机本身负责加载，数组中的组件类型依然由类加载器加载。

Where：加载到哪里去？

加载之后的类将会存放在方法区当中，当然这是 JVM 规范的规定，实际在实现 JVM 时会有所差异。比如：HotSpot 虚拟机 1.8 版本（通常所说的 JDK1.8）开始把方法区叫做 MetaSpace。

How：如何加载？

类加载器可以自己完成对一个类的加载，也可以委托其它类加载器来加载。由此，出现了以下两个概念：

1. 发起加载的加载器被称为被加载类的初始加载器。

2. 实际完成加载的加载器被称为被加载类的定义加载器。

初始加载器和定义加载器并不一定是同一个。

这里涉及到另外一个问题：在运行时，如何区分一个类或接口？类或接口的区分并不仅仅通过名字，而是通过它的二进制名字和定义类加载器共同区分。

03 链接

链接是在加载之后执行的，是获取创建好的类或接口，将其与虚拟机运行时状态相结合的过程。

完整的链接过程包含以下三个步骤：

1. 验证：验证字节码结构是否正确，是否符合约束条件。

2. 准备：创建静态字段并设置默认值，默认值与类型相关，比如：int 类型的默认值是 0，Integer 等引用类型的默认值是 null。

3. 解析：确认符号引用指向的真实地址。任何指令的执行都需要对符号引用进行解析，也包括本地方法的调用。

许多网文中提到：链接过程是解析符号引用，将其指向真实地址的过程。实际上这个解析是链接过程中的可选部分。JVM 的实现者可以选择使用饿汉（eager）模式在这个阶段一次性全部解析，也可以使用懒汉（lazy）模式在使用时单独解析每个符号引用。 

04 初始化

初始化过程就是执行类或接口的初始化方法（<clinit>）的过程。类在初始化之前，必须被链接，即：验证、准备且正常解析。

因为 JVM 是多线程的，类或接口的初始化需要谨慎的同步（采用等待-通知机制）。因为其它线程可能同时尝试初始化相同的类或接口，还可能递归地请求类或接口的初始化，递归会作为类或接口初始化的一部分。

在初始化的过程中，假设类对象已经被验证并准备好，类对象处于以下四种状态之一：

1. 未初始化：类被验证且准备好，但尚未初始化。当前线程将 Class 标记为正在初始化，然后释放锁，再按 Class 结构中的字段顺序初始化 final static 字段。若父类尚未初始化则会进入递归，先初始化其父类。初始化完成后再获取锁，并标记状态为已完成，准备投入使用，随后释放锁通知其它等待线程。

2. 正在初始化：这个类正在由某个线程初始化，当前线程被阻塞，直到接收到初始化完成的通知。若在初始化过程中发生了错误，则获取锁，并标记状态为错误，随后释放锁通知其它线程，并抛出 ExceptionInInitializerError 或 OutOfMemoryError（由于内存不足而发生错误时）。

3. 准备投入使用：这个类已完全初始化并准备投入使用。当前线程不再进行任何操作，释放锁并通知其它等待线程。

4. 错误：这个类处于错误状态，可能是因为初始化的失败。当前线程不可能再进行任何操作，释放锁并抛出 NoClassDeFoundError。 

05 退出

JVM 的退出有三种情况：

1. System 或 Runtime 类的 exit 方法，这是非强制的退出方式，所有子线程都执行完成后才会退出。

2. Runtime 类的 halt 方法，这是强制性的退出方式，立即退出。

3. JNI（Java Native Interface）规范指出：当使用 JNI 调用 API 加载或卸载 JVM 时会终止正在运行的 JVM。

JNI 是一个标准的编程接口，用于编写 Java 本地方法并将 JVM 嵌入到本地应用中。例如使用 C/C++编写的程序调用 JVM。