JVM系列(1)：双亲委派机制和沙箱安全机制

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一.介绍

JVM 是 Java Virtual Machine(Java 虚拟机)的缩写,JVM 是一种用于计算设备的规范,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。

 

二.架构和组成

　　JVM所处位置：从下图可以看出JVM 是运行在操作系统之上的,与硬件没有直接的交互

 

JVM结构图体系

堆（Heap)

Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

　　

方法区（Method Area）

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是有必要的。根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。 

　　

程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。 由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

 

　　JVM栈（JVM Stacks）

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame，如果没有进入JVM叫方法，进入JVM的方法区后就叫栈帧）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。 局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

 

　　本地方法栈（Native Method Stacks）

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

 　

　　类装载器 ClassLoader,执行引擎 ExecutionEngine

类装载器 ClassLoader

　　类装载器负责加载 .class 文件,class 文件在文件开头有特定的文件标示(cafe babe),将.class文件加载到内存中，将其放在运行时数据区的方法区（放类的描述信息）内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构， ClassLoader 只负责 class 文件的加载,至于它是否可以运行,则由 Execution Engine 决定。ClassLoader有多个

　　

 

 　　ClassLoader:　　

启动类加载器：Bootstrap ClassLoader，负责加载存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安装目录，下同)下，或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库（如rt.jar，所有的java.*开头的类均被Bootstrap ClassLoader加载）。启动类加载器是无法被Java程序直接引用的。

　　扩展类加载器：Extension ClassLoader，该加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载DK\jre\lib\ext目录中，或者由java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库（如javax.*开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。

　　应用程序类加载器：Application ClassLoader，该类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

　　例子：证明类是被那个加载器加载的　 

从上图能看出第一个输出null,第二个报了空指针异常，为什么会这样呢？

因为Object是jdk自带的，所以在加载的时候是走Bootstrap启动类加载器，而Bootstrap加载器是C++语言写的，所以在查的时候是null,Object已经是祖先了，因为它属于Boostrap，所以它已经没有祖先了，它就是最大的，就好比人家的祖坟已经是最大了，你还要去刨人家的祖坟看看人家的祖先是谁，那肯定没有啊，因为祖坟已经是最大的了，所以报了NullPointException();

接着：

从上可以看出第一个用的是应用程序加载器（AppClassLoader）,第二个是扩展类加载器（ExtClassLoader),第三个是启动类加载器（BootstrapClassLoader),第四个为空，因为Bootstrap是最高的了，所以顶上没有了。

　    加载顺序：

 　　例如当我们要使用某个类的时候，顺序是这样的，首先先去启动类加载器bootstrap找，如果有就直接用，如果没有就去扩展类加载器找，如果扩展类加载器没有，就去应用程序加载器找，如果还是没有，就报ClassNotFoundException异常，世纪上就是双亲委派机制，下面就说

 

　　双亲委派机制：

 　  如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上，因此，所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器（Bootstrap ClassLoader)中，只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类时，即无法完成该加载，子加载器才会尝试自己去加载该类。

　　具体流程：

　　　　1.当AppClassLoader加载一个class时，它不会尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给父类加载器ExtClassLoader去完成。

　　　　2.当父类ExtClassLoader加载到这个.class时，他也不会尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给父类加载器BootstrapClassLoader。

　　　　3.当BootstrapClassLoader加载到这个.class时，它会查找该类是否存在，如果不存在，就往下传递，交给ExtClassLoader，如果ExtClassLoader在自己相应的包中也没找到对应的类，就交给AppClassLoader来加载，如果AppClassLoader也没有，就报ClassNotFoundException();

　　

　　沙箱安全：防止恶意代码污染java源代码

比如我定义了一个类名为String所在包为java.lang，因为这个类本来是属于jdk的，如果没有沙箱安全机制的话，这个类将会污染到我所有的String,但是由于沙箱安全机制，所以就委托顶层的bootstrap加载器查找这个类，如果没有的话就委托extsion,extsion没有就到aapclassloader，但是由于String就是jdk的源代码，所以在bootstrap那里就加载到了，先找到先使用，所以就使用bootstrap里面的String,后面的一概不能使用，这就保证了不被恶意代码污染