java虚拟机详解篇一(基础)

什么是java编译器

Java的源代码(xxx.java)可以通过java的编译器生成字节码文件(xxx.class),java的编译器的功能有如下几点:
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Java的字节码文件通过java虚拟机编译运行,java虚拟机有类加载器字节码校验器编译字节码(解析执行)JIT编译器(编译执行)编译出机器指令,最后经由操作系统运行机器指令得出结果。编译字节码和JIT编译器类似于java的执行引擎

java代码的执行流程

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怎样判断两个class对象是否属于同一个类加载的?

在java虚拟机中表示两个class对象是否为同一个类的必要条件:

1、类的完整类名必须一致,包括包名。
2、加载这个类的CLassLoader(指的是ClassLoader实例对象)必须相同

总的来说:在java虚拟机中,两个类对象来源于同一个java源代码文件,被同一个虚拟机加载,只要是加载它们的ClassLoader实例对象不一样,那这两个类对象也是不一样的。
实例代码:

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
    	// 构建一个简单的类加载器
        ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
            @Override
            public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                try {
                    String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1)+".class";
                    InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
                    if (is == null) {
                        return super.loadClass(name);
                    }
                    byte[] b = new byte[is.available()];
                    is.read(b);
                    return defineClass(name, b, 0, b.length);
                } catch (IOException e) {
                    throw new ClassNotFoundException(name);
                }
            }
        };
        Object obj = myLoader.loadClass("GenericsTest.JVMTest.Test816.ClassLoaderTest").newInstance();
        System.out.println(obj.getClass());
        System.out.println(obj instanceof GenericsTest.JVMTest.Test816.ClassLoaderTest);
    }
}

结果:
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多语言编译为字节码在JVM运行

java语言是高级编程语言,只有人类才能理解其逻辑,计算机是无法识别的,所以java代码必须要先编译成字节码文件,编译字节码文件那就需要java虚拟机,先运行java虚拟机,编译java源代码成字节码文件,java虚拟机才能正确识别代码转换后的指令并将其运行。

什么是java虚拟机

Java虚拟机就是二进制字节码的运行环境,负责装载字节码到其内部,解释编译为对应平台上的机器指令执行每一条java指令。java虚拟机规范中都有详细的定义,如怎么取操作数,怎么处理操作数,处理结果放在哪里。其在代码运行的过程中居最重要的地位。
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java虚拟机的整体结构:
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java虚拟机的作用

1、Java代码间接翻译成字节码,储存字节码的文件再交由运行于不同平台上的JVM虚拟机去读取执行,从而实现一次编写,到处运行的目的。
2、JVM也不再只支持Java,由此衍生出了许多基于JVM的编程语言,如Groovy, Scala, Koltin等等
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特点:

1、一次编译,到处运行
2、自动内存管理
3、自动垃圾回收功能

java虚拟机的架构模型

Java编译器输入的指令流基本上是一种基于栈的指令集架构,还有另外一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。
基于栈式架构的特点:

  • 设计和实现更简单,适用于资源受限的系统;
  • 避开了寄存器的分配难题:使用零地址指令方式分配。
  • 指令流中的指令大部分是零地址指令,其执行过程依赖于操作栈。指令集更小,编译器容易实现。
  • 指令流中的指令大部分是零地址指令,其执行过程依赖于操作栈。指令集更小,编译器容易实现。

基于寄存器架构的特点:

  • 典型的应用是x86的二进制指令集:比如传统的Pc以及Android的Davlik虚拟机。
  • 指令集架构则完全依赖硬件,可移植性差。
  • 性能优秀和执行更高效。
  • 花费更少的指令去完成一项操作。
  • 在大部分情况下,基于寄存器架构的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三地址指令为主,而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主。

java虚拟机包含的部分

JVM 主要由四大部分组成:ClassLoader(类加载器),Runtime Data Area(运行时数据区,内存分区),Execution Engine(执行引擎),Native Interface(本地库接口),下图可以大致描述 JVM 的结构:
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JVM 是执行 Java 程序的虚拟计算机系统,java代码的执行过程:首先需要准备好编译好的 Java 字节码文件(即class文件),计算机要运行程序需要先通过一定方式(类加载器)将 class 文件加载到内存中(运行时数据区),但是字节码文件是JVM定义的一套指令集规范,并不能直接交给底层操作系统去执行,因此需要特定的命令解释器(执行引擎)将字节码翻译成特定的操作系统指令集交给 CPU 去执行,这个过程中会需要调用到一些不同语言为 Java 提供的接口(例如驱动、地图制作等),这就用到了本地 Native 接口(本地库接口)。

  • ClassLoader:负责加载字节码文件即 class 文件,class 文件在文件开头有特定的文件标示,并且 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。
  • Runtime Data Area:是存放数据的,分为五部分:Stack(虚拟机栈),Heap(堆),Method Area(方法区),PC Register(程序计数器),Native Method Stack(本地方法栈)。几乎所有的关于 Java 内存方面的问题,都是集中在这块。
  • Execution Engine:执行引擎,也叫 Interpreter。Class 文件被加载后,会把指令和数据信息放入内存中,Execution Engine 则负责把这些命令解释给操作系统,即将 JVM 指令集翻译为操作系统指令集。
  • Native Interface:负责调用本地接口的。他的作用是调用不同语言的接口给 JAVA 用,他会在 Native Method Stack 中记录对应的本地方法,然后调用该方法时就通过 Execution Engine 加载对应的本地 lib。原本多用于一些专业领域,如JAVA驱动,地图制作引擎等,现在关于这种本地方法接口的调用已经被类似于Socket通信,WebService等方式取代。

java虚拟机的生命周期

虚拟机启动

Java虚拟机的启动是通过引导类加载器(bootstrap class loader)创建一个初始类(initial class)来完成的,这个类是由虚拟机的具体实现指定的。

虚拟机执行

一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务:执行Java程序。程序开始执行时他才运行,程序结束时他就停止。执行一个所谓的Java程序的时候,实际上正在执行的是一个叫做Java虚拟机的进程。

虚拟机退出

有如下的几种情况:

  1. 程序正常执行结束
  2. 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
  3. 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止
  4. 某线程调用Runtime类或system类的exit方法,或Runtime类的halt方法,并且Java’安全管理器也允许这次exit或halt操作。
  5. 除此之外,JNI ( Java Native Interface)规范描述了用JNI Invocation API来加载或卸载Java虚拟机时,Java虚拟机的退出情况。

java虚拟机的运行流程

JVM的启动过程分为如下四个步骤:

1、JVM的装入环境和配置
java.exe负责查找JRE,并且它会按照如下的顺序来选择JRE:

  • 自己目录下的JRE;
  • 父级目录下的JRE;
  • 查注册中注册的JRE。

2、装载JVM
通过第一步找到JVM的路径后,Java.exe通过LoadJavaVM来装入JVM文件。LoadLibrary装载JVM动态连接库,然后把JVM中的到处函数JNI_CreateJavaVM和JNI_GetDefaultJavaVMIntArgs 挂接到InvocationFunction 变量的CreateJavaVM和GetDafaultJavaVMInitArgs 函数指针变量上。JVM的装载工作完成。

3、初始化JVM,获得本地调用接口
调用InvocationFunction -> CreateJavaVM,也就是JVM中JNI_CreateJavaVM方法获得JNIEnv结构的实例。

4、运行Java程序

  • JVM运行Java程序的方式有两种:jar包 与 class。
  • 运行jar 的时候,java.exe调用GetMainClassName函数,该函数先获得JNIEnv实例然后调用JarFileJNIEnv类中getManifest(),从其返回的Manifest对象中取getAttrebutes(“Main-Class”)的值,即jar 包中文件:META-INF/MANIFEST.MF指定的Main-Class的主类名作为运行的主类。之后main函数会调用Java.c中LoadClass方法装载该主类(使用JNIEnv实例的FindClass)。
  • 运行Class的时候,main函数直接调用Java.c中的LoadClass方法装载该类。

java程序的运行流程

编写好的 Java 源代码文件经过 Java 编译器编译成字节码文件后,通过类加载器加载到内存中,才能被实例化,然后到 Java 虚拟机中解释执行,最后通过操作系统操作 CPU 执行获取结果。如下图:

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