浅析Java虚拟机结构与机制

浅析Java虚拟机结构与机制

本文旨在给所有希望了解JVM（Java Virtual Machine）的同学一个概念性的入门，主要介绍了JVM的组成部分以及它们内部工作的机制和原理。当然本文只是一个简单的入门，不会涉及过多繁杂的参 数和配置，感兴趣的同学可以做更深入的研究，在研究JVM的过程中会发现，其实JVM本身就是一个计算机体系结构，很多原理和我们平时的硬件、微机原理、 操作系统都有十分相似的地方，所以学习JVM本身也是加深自我对计算机结构认识的一个很好的途径。

另外需要注意的是，虽然平时我们用的大多是Sun（现已被Oracle收购）JDK提供的JVM，但是JVM本身是一个规范，所以可以有多种实现，除了Hotspot外，还有诸如Oracle的JRockit、IBM的J9也都是非常有名的JVM。

一、JVM结构

下图展示了JVM的主要结构：

可以看出，JVM主要由类加载器子系统、运行时数据区（内存空间）、执行引擎以及与本地方法接口等组成。其中运行时数据区又由方法区、堆、Java栈、PC寄存器、本地方法栈组成。

从上图中还可以看出，在内存空间中方法区和堆是所有Java线程共享的，而Java栈、本地方法栈、PC寄存器则由每个线程私有，这会引出一些问题，后文会进行具体讨论。

众所周知，Java语言具有跨平台的特性，这也是由JVM来实现的。更准确地说，是Sun利用JVM在不同平台上的实现帮我们把平台相关性的问题给 解决了，这就好比是HTML语言可以在不同厂商的浏览器上呈现元素（虽然某些浏览器在对W3C标准的支持上还有一些问题）。同时，Java语言支持通过 JNI（Java Native Interface）来实现本地方法的调用，但是需要注意到，如果你在Java程序用调用了本地方法，那么你的程序就很可能不再具有跨平台性，即本地方法 会破坏平台无关性。

二、类加载器子系统（Class Loader）

类加载器子系统负责加载编译好的.class字节码文件，并装入内存，使JVM可以实例化或以其它方式使用加载后的类。 JVM的类加载子系统支持在运行时的动态加载，动态加载的优点有很多，例如可以节省内存空间、灵活地从网络上加载类，动态加载的另一好处是可以通过命名空 间的分隔来实现类的隔离，增强了整个系统的安全性。

1、ClassLoader的分类：

a.启动类加载器（BootStrap Class Loader）：负责加载rt.jar文件中所有的Java类，即Java的核心类都是由该ClassLoader加载。在Sun JDK中，这个类加载器是由C++实现的，并且在Java语言中无法获得它的引用。

b.扩展类加载器（Extension Class Loader）：负责加载一些扩展功能的jar包。

c.系统类加载器（System Class Loader）：负责加载启动参数中指定的Classpath中的jar包及目录，通常我们自己写的Java类也是由该ClassLoader加载。在Sun JDK中，系统类加载器的名字叫AppClassLoader。

d.用户自定义类加载器（User Defined Class Loader）：由用户自定义类的加载规则，可以手动控制加载过程中的步骤。

2、ClassLoader的工作原理

类加载分为装载、链接、初始化三步。

a.装载

通过类的全限定名和ClassLoader加载类，主要是将指定的.class文件加载至JVM。当类被加载以后，在JVM内部就以“类的全限定名+ClassLoader实例ID”来标明类。

在内存中，ClassLoader实例和类的实例都位于堆中，它们的类信息都位于方法区。

装载过程采用了一种被称为“双亲委派模型（Parent Delegation Model）” 的方式，当一个ClassLoader要加载类时，它会先请求它的双亲ClassLoader（其实这里只有两个ClassLoader，所以称为父 ClassLoader可能更容易理解）加载类，而它的双亲ClassLoader会继续把加载请求提交再上一级的ClassLoader，直到启动类加 载器。只有其双亲ClassLoader无法加载指定的类时，它才会自己加载类。

双亲委派模型是JVM的第一道安全防线，它保证了类的安全加载，这里同时依赖了类加载器隔离的原理：不同类加载器加载的类之间是无法直接交互的，即 使是同一个类，被不同的ClassLoader加载，它们也无法感知到彼此的存在。这样即使有恶意的类冒充自己在核心包（例如java.lang）下，由 于它无法被启动类加载器加载，也造成不了危害。

由此也可见，如果用户自定义了类加载器，那就必须自己保障类加载过程中的安全。

b.链接

链接的任务是把二进制的类型信息合并到JVM运行时状态中去。

链接分为以下三步：

a.验证：校验.class文件的正确性，确保该文件是符合规范定义的，并且适合当前JVM使用。

b.准备：为类分配内存，同时初始化类中的静态变量赋值为默认值。

c.解析（可选）：主要是把类的常量池中的符号引用解析为直接引用，这一步可以在用到相应的引用时再解析。

c.初始化

初始化类中的静态变量，并执行类中的static代码、构造函数。

JVM规范严格定义了何时需要对类进行初始化：

a、通过new关键字、反射、clone、反序列化机制实例化对象时。

b、调用类的静态方法时。

c、使用类的静态字段或对其赋值时。

d、通过反射调用类的方法时。

e、初始化该类的子类时（初始化子类前其父类必须已经被初始化）。

f、JVM启动时被标记为启动类的类（简单理解为具有main方法的类）。

三、Java栈（Java Stack）

Java栈由栈帧组成，一个帧对应一个方法调用。调用方法时压入栈帧，方法返回时弹出栈帧并抛弃。Java栈的主要任务是 存储方法参数、局部变量、中间运算结果，并且提供部分其它模块工作需要的数据。前面已经提到Java栈是线程私有的，这就保证了线程安全性，使得程序员无 需考虑栈同步访问的问题，只有线程本身可以访问它自己的局部变量区。

它分为三部分：局部变量区、操作数栈、帧数据区。

1、局部变量区

局部变量区是以字长为单位的数组，在这里，byte、short、char类型会被转换成int类型存储，除了long和 double类型占两个字长以外，其余类型都只占用一个字长。特别地，boolean类型在编译时会被转换成int或byte类型，boolean数组会 被当做byte类型数组来处理。局部变量区也会包含对象的引用，包括类引用、接口引用以及数组引用。

局部变量区包含了方法参数和局部变量，此外，实例方法隐含第一个局部变量this，它指向调用该方法的对象引用。对于对象，局部变量区中永远只有指向堆的引用。

2、操作数栈

操作数栈也是以字长为单位的数组，但是正如其名，它只能进行入栈出栈的基本操作。在进行计算时，操作数被弹出栈，计算完毕后再入栈。

3、帧数据区

帧数据区的任务主要有：

a.记录指向类的常量池的指针，以便于解析。

b.帮助方法的正常返回，包括恢复调用该方法的栈帧，设置PC寄存器指向调用方法对应的下一条指令，把返回值压入调用栈帧的操作数栈中。

c.记录异常表，发生异常时将控制权交由对应异常的catch子句，如果没有找到对应的catch子句，会恢复调用方法的栈帧并重新抛出异常。

局部变量区和操作数栈的大小依照具体方法在编译时就已经确定。调用方法时会从方法区中找到对应类的类型信息，从中得到具体方法的局部变量区和操作数栈的大小，依此分配栈帧内存，压入Java栈。

四、本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈类似于Java栈，主要存储了本地方法调用的状态。在Sun JDK中，本地方法栈和Java栈是同一个。

五、方法区（Method Area）

类型信息和类的静态变量都存储在方法区中。方法区中对于每个类存储了以下数据：

a.类及其父类的全限定名（java.lang.Object没有父类）

b.类的类型（Class or Interface）

c.访问修饰符（public, abstract, final）

d.实现的接口的全限定名的列表

e.常量池

f.字段信息

g.方法信息

h.静态变量

i.ClassLoader引用

j.Class引用

可见类的所有信息都存储在方法区中。由于方法区是所有线程共享的，所以必须保证线程安全，举例来说，如果两个类同时要加载一个尚未被加载的类，那么一个类会请求它的ClassLoader去加载需要的类，另一个类只能等待而不会重复加载。

此外为了加快调用方法的速度，通常还会为每个非抽象类创建私有的方法表，方法表是一个数组，存放了实例可能被调用的实例方法的直接引用。方法表对于多态有非常重要的意义，具体可以参照《浅谈多态机制的意义及实现》一文中“多态的实现”一节。

在Sun JDK中，方法区对应了持久代（Permanent Generation），默认最小值为16MB，最大值为64MB。

六、堆（Heap）

堆用于存储对象实例以及数组值。堆中有指向类数据的指针，该指针指向了方法区中对应的类型信息。堆中还可能存放了指向方法 表的指针。堆是所有线程共享的，所以在进行实例化对象等操作时，需要解决同步问题。此外，堆中的实例数据中还包含了对象锁，并且针对不同的垃圾收集策略， 可能存放了引用计数或清扫标记等数据。

在堆的管理上，Sun JDK从1.2版本开始引入了分代管理的方式。主要分为新生代、旧生代。分代方式大大改善了垃圾收集的效率。

1、新生代（New Generation）

大多数情况下新对象都被分配在新生代中，新生代由Eden Space和两块相同大小的Survivor Space组成，后两者主要用于Minor GC时的对象复制（Minor GC的过程在此不详细讨论）。

JVM在Eden Space中会开辟一小块独立的TLAB（Thread Local Allocation Buffer）区域用于更高效的内存分配，我们知道在堆上分配内存需要锁定整个堆，而在TLAB上则不需要，JVM在分配对象时会尽量在TLAB上分配，以提高效率。

2、旧生代（Old Generation/Tenuring Generation）

在新生代中存活时间较久的对象将会被转入旧生代，旧生代进行垃圾收集的频率没有新生代高。

七、执行引擎

执行引擎是JVM执行Java字节码的核心，执行方式主要分为解释执行、编译执行、自适应优化执行、硬件芯片执行方式。

JVM的指令集是基于栈而非寄存器的，这样做的好处在于可以使指令尽可能紧凑，便于快速地在网络上传输（别忘了Java最初就是为网络设计的），同 时也很容易适应通用寄存器较少的平台，并且有利于代码优化，由于Java栈和PC寄存器是线程私有的，线程之间无法互相干涉彼此的栈。每个线程拥有独立的 JVM执行引擎实例。

JVM指令由单字节操作码和若干操作数组成。对于需要操作数的指令，通常是先把操作数压入操作数栈，即使是对局部变量赋值，也会先入栈再赋值。注意这里是“通常”情况，之后会讲到由于优化导致的例外。

1、解释执行

和一些动态语言类似，JVM可以解释执行字节码。Sun JDK采用了token-threading的方式，感兴趣的同学可以深入了解一下。

解释执行中有几种优化方式：

a.栈顶缓存

将位于操作数栈顶的值直接缓存在寄存器上，对于大部分只需要一个操作数的指令而言，就无需再入栈，可以直接在寄存器上进行计算，结果压入操作数站。这样便减少了寄存器和内存的交换开销。

b.部分栈帧共享

被调用方法可将调用方法栈帧中的操作数栈作为自己的局部变量区，这样在获取方法参数时减少了复制参数的开销。

c.执行机器指令

在一些特殊情况下，JVM会执行机器指令以提高速度。

2、编译执行

为了提升执行速度，Sun JDK提供了将字节码编译为机器指令的支持，主要利用了JIT（Just-In-Time）编译器在运行时进行编译，它会在第一次执行时编译字节码为机器码并缓存，之后就可以重复利用。Oracle JRockit采用的是完全的编译执行。

3、自适应优化执行

自适应优化执行的思想是程序中10%~20%的代码占据了80%~90%的执行时间，所以通过将那少部分代码编译为优化过 的机器码就可以大大提升执行效率。自适应优化的典型代表是Sun的Hotspot VM，正如其名，JVM会监测代码的执行情况，当判断特定方法是瓶颈或热点时，将会启动一个后台线程，把该方法的字节码编译为极度优化的、静态链接的 C++代码。当方法不再是热区时，则会取消编译过的代码，重新进行解释执行。

自适应优化不仅通过利用小部分的编译时间获得大部分的效率提升，而且由于在执行过程中时刻监测，对内联代码等优化也起到了很大的作用。由于面向对象的多态性，一个方法可能对应了很多种不同实现，自适应优化就可以通过监测只内联那些用到的代码，大大减少了内联函数的大小。

Sun JDK在编译上采用了两种模式：Client和Server模式。前者较为轻量级，占用内存较少。后者的优化程序更高，占用内存更多。

在Server模式中会进行对象的逃逸分析，即方法中的对象是否会在方法外使用，如果被其它方法使用了，则该对象是逃逸的。对于非逃逸对象，JVM 会在栈上直接分配对象（所以对象不一定是在堆上分配的），线程获取对象会更加快速，同时当方法返回时，由于栈帧被抛弃，也有利于对象的垃圾收集。 Server模式还会通过分析去除一些不必要的同步，感兴趣的同学可以研究一下Sun JDK 6引入的Biased Locking机制。

此外，执行引擎也必须保证线程安全性，因而JMM（Java Memory Model）也是由执行引擎确保的。