【JVM虚拟机】JVM架构和GC垃圾回收机制

前言

  现在我学习任何一门知识首先就是问：这是什么玩意？要费我脑子学？凭什么？虽然有点功利，但是时刻提醒自己在干什么不失为一种提高学习效率 的手段。废话不多说，切入正题。本文大部分是对大神的归纳，并加入自己的理解。

一、JVM的概念——什么是JVM

JVM(Java Virtual Machine，Java虚拟机)
    Java程序的跨平台特性主要是指字节码文件可以在任何具有Java虚拟机的计算机或者电子设备上运行，Java虚拟机中的Java解释器负责将字节码文件解释成为特定的机器码进行运行。因此在运行时，Java源程序需要通过编译器编译成为.class文件。众所周知java.exe是java class文件的执行程序，但实际上java.exe程序只是一个执行的外壳，它会装载jvm.dll（windows下，下皆以windows平台为例，linux下和solaris下其实类似，为：libjvm.so），这个动态连接库才是java虚拟机的实际操作处理所在。

    JVM是JRE的一部分。它是一个虚构出来的计算机，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。JVM有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。Java语言最重要的特点就是跨平台运行。使用JVM就是为了支持与操作系统无关，实现跨平台。所以，JAVA虚拟机JVM是属于JRE的，而现在我们安装JDK时也附带安装了JRE(当然也可以单独安装JRE)。

--简单来说：使用JVM就是为了支持与操作系统无关，实现跨平台。而通过后面学习我们可以更加清楚了解到Java程序在eclipse等IDE内部是如何执行的。

&&Java字节码类文件（.class）是Java编译器编译Java源文件（.java）产生的“目标文件”。

&&字节码是一种中间状态（中间码）的二进制代码（文件）。需要直译器转译后才能成为机器码。

 

二、架构图分析

--我认为对于技术是由“先把书读薄再把书读厚”的，这和之前学习为了高考是不一样的，那些都是基础，较为简单，知识体系也没有工作时面对的技术知识体系的那么大。学习了一段时间，我深刻体会到这个道理，别嫌我啰嗦，我是不断在提醒你，你在干什么而已。对于学习后台开发，知识点非常的多，知识体系非常庞大，我们不能死磕一个知识点，关键是要先快速过一遍，以后遇到了再回过头学习，那种快感真是记忆犹新！

先对JVM架构有个整体认识：

 这张图新手是不是看了头晕，过段时间我来画张知识树状图。233

 

三、JVM的组成——体系结构

1.类加载器子系统

  --Java的动态类加载功能是由类加载器子系统处理。当它在运行时（不是编译时）首次引用一个类时，它加载、链接并初始化该类文件。

（1）加载

--类由此组件加载。启动类加载器 (BootStrap class Loader)、扩展类加载器(Extension class Loader)和应用程序类加载器(Application class Loader) 这三种类加载器帮助完成类的加载。

a.  启动类加载器 – 负责从启动类路径中加载类，无非就是rt.jar。这个加载器会被赋予最高优先级。

b.  扩展类加载器 – 负责加载ext 目录(jre\lib)内的类.

c.  应用程序类加载器 – 负责加载应用程序级别类路径，涉及到路径的环境变量等etc.

上述的类加载器会遵循委托层次算法（Delegation Hierarchy Algorithm）加载类文件。

（2）链接

a.  校验 – 字节码校验器会校验生成的字节码是否正确，如果校验失败，我们会得到校验错误。

b.  准备 – 分配内存并初始化默认值给所有的静态变量。

c.  解析 – 所有符号内存引用被方法区(Method Area)的原始引用所替代。

（3）初始化

这是类加载的最后阶段，这里所有的静态变量会被赋初始值, 并且静态块将被执行。

 

2. 运行时数据区（Runtime Data Area）

   --既然虚拟机作为一个虚拟的计算机， 来执行我们的程序， 那么在执行的过程中， 必然要有地方存放我们的代码（class文件）； 在执行的过程中， 总会创建很多对象， 必须有地方存放这些对象； 在执行的过程中， 还需要保存一些执行的状态， 比如， 将要执行哪个方法， 当前方法执行完成之后， 要返回到哪个方法等信息， 所以， 必须有一个地方来保持执行的状态。 上面的描述中， “地方”指的当然就是内存区域， 程序运行起来之后， 就是一个动态的过程， 必须合理的划分内存区域， 来存放各种数据——这就是JVM的运行时数据区。 

 --运行时数据区域被划分为5个主要组件：

（1）方法区（Method Area）

所有类级别数据将被存储在这里，包括静态变量。每个JVM只有一个方法区，它是一个共享的资源。（不是线程安全的）

（2）堆区（Heap Area）

所有的对象和它们相应的实例变量以及数组将被存储在这里。每个JVM同样只有一个堆区。由于方法区和堆区的内存由多个线程共享，所以存储的数据不是线程安全的。

（3）栈区（Stack Area）

对每个线程会单独创建一个运行时栈。对每个函数呼叫会在栈内存生成一个栈帧(Stack Frame)。所有的局部变量将在栈内存中创建。栈区是线程安全的，因为它不是一个共享资源。栈帧被分为三个子实体：

a.局部变量数组 – 包含多少个与方法相关的局部变量并且相应的值将被存储在这里。

b.操作数栈 – 如果需要执行任何中间操作，操作数栈作为运行时工作区去执行指令。

c.帧数据 – 方法的所有符号都保存在这里。在任意异常的情况下，catch块的信息将会被保存在帧数据里面。

（4）PC寄存器

每个线程都有一个单独的PC寄存器来保存当前执行指令的地址，一旦该指令被执行，pc寄存器会被更新至下条指令的地址。

（5） 本地方法栈

本地方法栈保存本地方法信息。对每一个线程，将创建一个单独的本地方法栈。

--结合下图和上文对运行时数据区会有更深刻的理解和印象吧：

 

3.执行引擎

--分配给运行时数据区的字节码将由执行引擎执行。执行引擎读取字节码并逐段执行。

（1） 解释器:：

  解释器能快速的解释字节码，但执行却很慢。 解释器的缺点就是,当一个方法被调用多次，每次都需要重新解释。

（2）编译器：

  JIT编译器消除了解释器的缺点。执行引擎利用解释器转换字节码，但如果是重复的代码则使用JIT编译器将全部字节码编译成本机代码。本机代码将直接用于重复的方法调用，这提高了系统的性能。

a. 中间代码生成器 – 生成中间代码

b. 代码优化器 – 负责优化上面生成的中间代码

c. 目标代码生成器 – 负责生成机器代码或本机代码

d.  探测器(Profiler) – 一个特殊的组件，负责寻找被多次调用的方法。

（3）  垃圾回收器:（面试必考！）

--收集并删除未引用的对象。可以通过调用"System.gc()"来触发垃圾回收，但并不保证会确实进行垃圾回收。

Java的垃圾回收机制是Java虚拟机提供的能力，用于在空闲时间以不定时的方式动态回收无任何引用的对象占据的内存空间。
需要注意的是：垃圾回收回收的是无任何引用的对象占据的内存空间而不是对象本身，很多人来我公司面试时，我都会问这个问题的，70%以上的人回答的含义是回收对象，实际上这是不正确的。
System.gc()
Runtime.getRuntime().gc()
上面的方法调用时用于显式通知JVM可以进行一次垃圾回收，但真正垃圾回收机制具体在什么时间点开始发生动作这同样是不可预料的，这和抢占式的线程在发生作用时的原理一样。

 

4.Java本地接口 (JNI): 

JNI 会与本地方法库进行交互并提供执行引擎所需的本地库。

 

5.本地方法库:

它是一个执行引擎所需的本地库的集合。

 

本文转自https://blog.csdn.net/aijiudu/article/details/72991993