Java的虚拟机JVM详细讲解(1)

引用

文章内容摘自于一本很好的书：
《深入java虚拟机（原书第2版）》 作者：（美）Bill Venners 著，曹晓刚、蒋靖 译。
想深入了解JVM的的朋友可以去买来看看。

这篇文章在网络上转载的非常多，这里就没办法注明出处了！原来内容中缺少了几张图片，我重新将牵涉到的几张图片补充了进来，想要了解的朋友还是去买本书来看看吧。

一、什么是Java虚拟机

　　当你谈到Java虚拟机时，你可能是指：

　　1、抽象的Java虚拟机规范

　　2、一个具体的Java虚拟机实现

　　3、一个运行的Java虚拟机实例

　　二、Java虚拟机的生命周期

　　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。你在同一台机器上运行三个程序，就会有三个运行中的Java虚拟机。

　　Java虚拟机总是开始于一个main（）方法，这个方法必须是公有、返回void、直接受一个字符串数组。在程序执行时，你必须给Java虚拟机指明这个包换main（）方法的类名。

　　Main（）方法是程序的起点，他被执行的线程初始化为程序的初始线程。程序中其他的线程都由他来启动。Java中的线程分为两种：守护线程（daemon）和普通线程（non-daemon）。守护线程是Java虚拟机自己使用的线程，比如负责垃圾收集的线程就是一个守护线程。当然，你也可以把自己的程序设置为守护线程。包含Main（）方法的初始线程不是守护线程。

　　只要Java虚拟机中还有普通的线程在执行，Java虚拟机就不会停止。如果有足够的权限，你可以调用exit（）方法终止程序。

　　三、Java虚拟机的体系结构

　　在Java虚拟机的规范中定义了一系列的子系统、内存区域、数据类型和使用指南。这些组件构成了Java虚拟机的内部结构，他们不仅仅为Java虚拟机的实现提供了清晰的内部结构，更是严格规定了Java虚拟机实现的外部行为。

　　每一个Java虚拟机都由一个类加载器子系统（class loader subsystem），负责加载程序中的类型（类和接口），并赋予唯一的名字。每一个Java虚拟机都有一个执行引擎（execution engine）负责执行被加载类中包含的指令。



　　程序的执行需要一定的内存空间，如字节码、被加载类的其他额外信息、程序中的对象、方法的参数、返回值、本地变量、处理的中间变量等等。 Java虚拟机将 这些信息统统保存在数据区（data areas）中。虽然每个Java虚拟机的实现中都包含数据区，但是Java虚拟机规范对数据区的规定却非常的抽象。许多结构上的细节部分都留给了 Java虚拟机实现者自己发挥。不同Java虚拟机实现上的内存结构千差万别。一部分实现可能占用很多内存，而其他以下可能只占用很少的内存；一些实现可能会使用虚拟内存，而其他的则不使用。这种比较精炼的Java虚拟机内存规约，可以使得Java虚拟机可以在广泛的平台上被实现。

　　数据区中的一部分是整个程序共有，其他部分被单独的线程控制。每一个Java虚拟机都包含方法区（method area）和堆（heap），他们都被整个程序共享。Java虚拟机加载并解析一个类以后，将从类文件中解析出来的信息保存与方法区中。程序执行时创建的对象都保存在堆中。

　　当一个线程被创建时，会被分配只属于他自己的PC寄存器“pc register”（程序计数器）和Java堆栈（Java stack）。当线程不掉用本地方法时，PC寄存器中保存线程执行的下一条指令。Java堆栈保存了一个线程调用方法时的状态，包括本地变量、调用方法的参数、返回值、处理的中间变量。调用本地方法时的状态保存在本地方法堆栈中（native method stacks），可能再寄存器或者其他非平台独立的内存中。

　　Java堆栈有堆栈块（stack frames （or frames））组成。堆栈块包含Java方法调用的状态。当一个线程调用一个方法时，Java虚拟机会将一个新的块压到Java堆栈中，当这个方法运行结束时，Java虚拟机会将对应的块弹出并抛弃。

　　Java虚拟机不使用寄存器保存计算的中间结果，而是用Java堆栈在存放中间结果。这是的Java虚拟机的指令更紧凑，也更容易在一个没有寄存器的设备上实现Java虚拟机。



　　图中的Java堆栈中向下增长的，PC寄存器中线程三为灰色，是因为它正在执行本地方法，他的下一条执行指令不保存在PC寄存器中。

　　四、数据类型（Data Types）

　　所有Java虚拟机中使用的数据都有确定的数据类型，数据类型和操作都在Java虚拟机规范中严格定义。Java中的数据类型分为原始数据类型（primitive types）和引用数据类型（reference type）。引用类型依赖于实际的对象，但不是对象本身。原始数据类型不依赖于任何东西，他们就是本身表示的数据。

　　所有Java程序语言中的原始数据类型，都是Java虚拟机的原始数据类型，除了布尔型（boolean）。当编译器将Java源代码编译为自己码时，使用整型（int）或者字节型（byte）去表示布尔型。在Java虚拟机中使用整数0表示布尔型的false，使用非零整数表示布尔型的true，布尔数组被表示为字节数组，虽然他们可能会以字节数组或者字节块（bit fields）保存在堆中。

　　除了布尔型，其他Java语言中的原始类型都是Java虚拟机中的数据类型。在Java中数据类型被分为：整形的byte，short，int，long；char和浮点型的float，double.Java语言中的数据类型在任何主机上都有同样的范围。

　　在Java虚拟机中还存在一个Java语言中不能使用的原始数据类型返回值类型（returnValue）。这种类型被用来实现Java程序中的“finally clauses”，具体的参见18章的“Finally Clauses”。

　　引用类型可能被创建为：类类型（class type），接口类型（interface type），数组类型（array type）。他们都引用被动态创建的对象。当引用类型引用null时，说明没有引用任何对象。

　　Java虚拟机规范只定义了每一种数据类型表示的范围，没有定义在存储时每种类型占用的空间。他们如何存储由Java虚拟机的实现者自己决定。关于浮点型更多信息参见14章“Floating Point Arithmetic”。

TypeRange
　　byte8-bit signed two's complement integer (-27 to 27 - 1, inclusive)
　　short16-bit signed two's complement integer (-215 to 215 - 1, inclusive)
　　int32-bit signed two's complement integer (-231 to 231 - 1, inclusive)
　　long64-bit signed two's complement integer (-263 to 263 - 1, inclusive)
　　char16-bit unsigned Unicode character (0 to 216 - 1, inclusive)
　　float32-bit IEEE 754 single-precision float
　　double64-bit IEEE 754 double-precision float
　　returnValueaddress of an opcode within the same method
　　referencereference to an object on the heap, or null

五、字节长度

　　Java虚拟机中最小的数据单元式字（word），其大小由Java虚拟机的实现者定义。但是一个字的大小必须足够容纳 byte，short，int， char，float，returnValue，reference；两个字必须足够容纳long，double.所以虚拟机的实现者至少提供的字不能小于31bits的字，但是最好选择特定平台上最有效率的字长。

　　在运行时，Java程序不能决定所运行机器的字长。字长也不会影响程序的行为，他只是在Java虚拟机中的一种表现方式。

　　六、类加载器子系统

　　Java虚拟机中的类加载器分为两种：原始类加载器（primordial class loader）和类加载器对象（class loader objects）。原始类加载器是Java虚拟机实现的一部分，类加载器对象是运行中的程序的一部分。不同类加载器加载的类被不同的命名空间所分割。

　　类加载器调用了许多Java虚拟机中其他的部分和java.lang包中的很多类。比如，类加载对象就是 java.lang.ClassLoader子类的实例，ClassLoader类中的方法可以访问虚拟机中的类加载机制；每一个被Java虚拟机加载的类都会被表示为一个 java.lang.Class类的实例。像其他对象一样，类加载器对象和Class对象都保存在堆中，被加载的信息被保存在方法区中。

　　1、加载、连接、初始化（Loading， Linking and Initialization）

　　类加载子系统不仅仅负责定位并加载类文件，他按照以下严格的步骤作了很多其他的事情：（具体的信息参见第七章的“类的生命周期”）

　　1）、加载：寻找并导入指定类型（类和接口）的二进制信息

　　2）、连接：进行验证、准备和解析

　　①验证：确保导入类型的正确性

　　②准备：为类型分配内存并初始化为默认值

　　③解析：将字符引用解析为直接饮用


　　3）、初始化：调用Java代码，初始化类变量为合适的值

　　2、原始类加载器（The Primordial Class Loader）

　　每个Java虚拟机都必须实现一个原始类加载器，他能够加载那些遵守类文件格式并且被信任的类。但是，Java虚拟机的规范并没有定义如何加载类，这由 Java虚拟机实现者自己决定。对于给定类型名的类型，原始莱加载器必须找到那个类型名加“。class”的文件并加载入虚拟机中。

　　3、类加载器对象

　　虽然类加载器对象是Java程序的一部分，但是ClassLoader类中的三个方法可以访问Java虚拟机中的类加载子系统。

　　1）、protected final Class defineClass（…）：使用这个方法可以出入一个字节数组，定义一个新的类型。

　　2）、protected Class findSystemClass（String name）：加载指定的类，如果已经加载，就直接返回。

　　3）、protected final void resolveClass（Class c）：defineClass（）方法只是加载一个类，这个方法负责后续的动态连接和初始化。

　　具体的信息，参见第八章“连接模型”（ The Linking Model）。

　　4、命名空间

　　当多个类加载器加载了同一个类时，为了保证他们名字的唯一性，需要在类名前加上加载该类的类加载器的标识。具体的信息，参见第八章“连接模型”（ The Linking Model）。

　　七、方法区（The Method Area）

　　在Java虚拟机中，被加载类型的信息都保存在方法区中。这写信息在内存中的组织形式由虚拟机的实现者定义，比如，虚拟机工作在一个 “little- endian”的处理器上，他就可以将信息保存为“little-endian”格式的，虽然在Java类文件中他们是以“big-endian”格式保存的。设计者可以用最适合并地机器的表示格式来存储数据，以保证程序能够以最快的速度执行。但是，在一个只有很小内存的设备上，虚拟机的实现者就不会占用很大的内存。

　　程序中的所有线程共享一个方法区，所以访问方法区信息的方法必须是线程安全的。如果你有两个线程都去加载一个叫Lava的类，那只能由一个线程被容许去加载这个类，另一个必须等待。

　　在程序运行时，方法区的大小是可变的，程序在运行时可以扩展。有些Java虚拟机的实现也可以通过参数也订制方法区的初始大小，最小值和最大值。

　　方法区也可以被垃圾收集。因为程序中的内由类加载器动态加载，所有类可能变成没有被引用（unreferenced）的状态。当类变成这种状态时，他就可能被垃圾收集掉。没有加载的类包括两种状态，一种是真正的没有加载，另一个种是“unreferenced”的状态。详细信息参见第七章的类的生命周期（The Lifetime of a Class）。

　　1、类型信息（Type Information）

　　每一个被加载的类型，在Java虚拟机中都会在方法区中保存如下信息：

　　1）、类型的全名（The fully qualified name of the type）

　　2）、类型的父类型的全名（除非没有父类型，或者弗雷形式java.lang.Object）（The fully qualified name of the typeís direct superclass）

　　3）、给类型是一个类还是接口（class or an interface）（Whether or not the type is a class ）

　　4）、类型的修饰符（public，private，protected，static，final，volatile，transient等）（The typeís modifiers）

　　5）、所有父接口全名的列表（An ordered list of the fully qualified names of any direct superinterfaces）

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