《深入Java虚拟机学习笔记》- 第5章 Java虚拟机

 

1.     第五章 JAVA虚拟机

 

1.1.1           初始线程

Java程序中初始的main()方法，作为该程序初始线程的起点。任何其它的线程，都是有这个初始线程启动的。

 

在JAVA虚拟机内部，有两种类型的线程：守护线程和非守护线程（实时线程）。比如执行垃圾收集任务的线程，就是一种守护线程。我们也可以把我们自己创建的线程标记为守护线程。初始线程，不是守护线程。

 

当虚拟机中所有的实时线程都结束的时候，虚拟机将自动退出（当然，也可以调用Runtime或System类中exit()方法来退出虚拟机）

 

如果main()方法执行完毕返回，而且在其中并没有启动其它的实时线程，那么唯一的一个实时线程（即初始线程）结束，这样，虚拟机就自动退出了。

 

1.2  Java虚拟机的体系结构

 

<本图片来源于：http://www.artima.com/insidejvm/ed2/jvm2.html >

 

 

 

Java虚拟机运行一个程序，需要内存来存储许多东西，例如：字节码、从已转载的class文件中得到的其它信息、程序创建的对象、传递给方法的参数、返回值、局部变量以及运算的中间结果等等。Java虚拟机把这些数据都放到运行时数据区中。

 

方法区和堆中的数据，是所有线程共享的区域。方法区存储的是已经加载的类的信息。在程序运行过程中所创建的所有对象，均放到堆中。

 

 

 

当每一个新线程被创建时，它都会拥有自己的PC寄存器(pc register)（程序计数器，PC是program counter的缩写）以及一个JAVA栈。如果线程正在执行的是一个JAVA方法（非本地方法），PC寄存器中的值将总是指示下一条被执行的指令，而它的JAVA栈中存储的就是这个方法调用的状态：包括局部变量、方法被调用时传进来的参数、运算的中间结果以及返回值。而本地方法(native方法，与JNI有关)调用的状态，则存储与本地方法栈或别的地方（这与具体实现有关）。

 

Java栈由栈帧组成，每个栈帧包含一个JAVA方法调用的状态。当线程调用一个JAVA方法时，虚拟机压入新的栈帧到该线程的栈中，当该方法返回时，此栈帧被弹出并被抛弃。

 

 

上图描述了三个线程正在执行，线程1和2在执行JAVA方法，而线程3正在执行本地方法。

 

1.2.1           数据类型

数据类型分两种：基本类型和引用类型，基本类型的变量持有原始值，而引用类型的变量持有引用值，所谓引用，即对某个对象的引用。原始值，则是真正的原始数据。

 

 

 

特别注意returnAddress，这种类型只在虚拟机内部使用，JAVA程序员不能使用这个类型，这个类型主要用来实现finally子句。

 

类类型是对类的某个实例的引用；数组类型是对数组对象（数组是一个对象）的引用；接口类型则是对实现了该接口的某个实例的引用；还有一种特殊的引用值是null，表示该引用变量没有引用任何对象。

 

1.2.2           字长

字，用来容纳数据类型的值，它可能是32位或64位，我们无需关心，也无法通过程序来获知某个JAVA虚拟机的字长是多少，它是JAVA虚拟机的内部实现。

 

1.2.3           类装载子系统

 

两种类装载器：启动类装载器和用户自定义的类装载器，启动类装载器由JAVA虚拟机实现，而用户自定义的类装载器需要继承ClassLoader类。对每一个被装载的类型，虚拟机都会创建一个java.lang.Class类型的对象，这个对象和ClassLoader对象，跟其它普通对象一样，也是存放在堆中的，而装载的类型信息，当然位于方法区中。

 

l           装载、连接和初始化

装载 – 读取class文件

连接 – 包括验证、准备和解析

    验证 – 保证类型的正确性

    准备 – 为类变量分配内存，并将其初始化为默认值

    解析 – 把类型中的符号引用转换为直接引用

初始化 – 把类变量初始化为正确的初始值

 

l           用户自定义类装载器

继承的ClassLoader类中，四个方法非常重要：

protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len) protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len, ProtectionDomain protectionDomain) protected final Class<?> findSystemClass(String name) protected final void resolveClass(Class<?> c)

 

defineClass方法需保证能够把类型导入到方法区中

findSystemClass方法是使用系统类装载器来装载指定的类型，name是一个全限定类名

resolveClass则对指定的类型执行连接动作

 

1.2.4           方法区

 

类装载器装载一个类之后，把其中的类型信息存储到方法区中，类变量（即静态变量）也是存储到方法区中的。

 

由于所有线程共享方法区，所以对方法区中的数据的访问，必须是线程安全的，比如假如两个线程同时访问一个名为Hello的类，而这个类还没有被加载到方法区，那么只有一个线程可以去加载这个类，而另外一个线程必须等待。

 

方法区也可以被垃圾收集（假设某个类不再被引用）。

 

那么，虚拟机会在方法区中存储某个类的哪些类型信息呢？

包括如下基本类型信息：

l           全路径类名（或称全限定名）

l           这个类型的直接超类的全路径类名（除非它是java.lang.Object，因为Object没有超类）

l           这个类型是类还是接口

l           这个类型的访问修饰符（public、abstract或final或其它的修饰符）

l           任何直接超接口的全限定名的有序列表

 

除了基本类型信息，还存储如下信息：

l           该类型的常量池

n         常量池，就是该类型所用常量的一个有序集合。包括直接常量和对其它类型、字段、方法的符号引用。

l           字段信息

n         字段名

n         字段类型

n         字段的修饰符（public、private、protected、static、final、volatile、transient的某个子集）

l           方法信息

n         方法名

n         方法的返回类型（或void）

n         方法的修饰符（public、private、protected、static、final、synchronized、native、abstract的某个子集）

u        如果这个方法不是abstract或native，那么还必须保存下列信息：

u        方法的字节码（bytecodes）

u        操作数栈和该方法的栈帧中局部变量区的大小

u        异常表

l           除了常量以外的所有类变量（静态变量）

n         虚拟机在使用某个类之前，必须在方法区中为这些类变量分配空间

n         而编译时常量（即用final声明的类变量），处理方式不同。虚拟机会将这些final声明的常量复制到使用它的常量池或字节码流中。

 

l           一个到类ClassLoader的引用

n         主要是因为虚拟机需要跟踪这个类究竟是由哪些类装载器装载的。

n         虚拟机会在动态连接期间使用这个信息（比如一个类引用了另外一个类，那么虚拟机必须使用此类的类装载器来装载另外那个类）

l           一个到类Class的引用

n         对于每一个被装载的类型（不管是Class还是interface），虚拟机都会给它创建一个java.lang.Class类的实例（为了创建这个实例，所以它必须拥有一个到java.lang.Class的引用）。而且，虚拟机还会把这个实例和方法区中的类型信息关联起来。

n         你可以调用Class类中的forName(String className)静态方法，来获得任何类的Class实例的引用。如果虚拟机无法装载指定的类型，将抛出ClassNotFoundException异常

n         更多如何获取一个类的Class实例的方法，在后面介绍

n         Class中某些关键方法的说明：

u        getSuperClass – 返回直接超类的Class实例，如果是java.lang.Object或接口，这个方法将返回null

u        isInterface – 判断一个类型是否是接口

u        Class[] getInterfaces() – 返回该类型实现的直接超接口（非间接实现），如果没有，则返回长度为0的数组。

u        getClassLoader() – 这个方法返回该类型的ClassLoader对象的引用，如果这个类型是由启动类装载器装载的，则这个方法返回null

u        以上所有这些信息，都直接从方法区中获得

 

方法表

 

这是为了尽可能提高访问效率而设计。虚拟机为每个非抽象类，都生成一个方法表，方法表是一个数组，它的元素是这个类型的所有实例方法（包括继承下来的所有实例方法）的直接引用。

 

1.2.5           堆

堆存放类的实例。那么一个类的实例具体包括哪些信息呢？

基本信息：

l           所有实例变量（包括从父类中继承下来的实例变量）

l           指向方法区的指针

l           对象锁 – 用来实现多个线程对共享数据的互斥访问

l           等待集合（wait set）的数据

n         每个类都从Object继承了三个等待方法(三个重载的wait方法)和两个通知方法（notify和notifyAll）

n         当某个线程在一个对象上调用等待方法时，虚拟机就阻塞这个线程，并把它放到了对象的等待集合中，直到另外一个线程在同一个对象上调用通知方法

l           与垃圾收集器有关的数据（比如标志一个对象是否仍然被引用等）

 

数组的内部表示：

数组也是一个对象，数组也有一个与它们的类相关联的Class的实例，所有具有相同维度和类型的数组都是同一个类的实例，而不管数组的长度。每一维用“[”表示，类型用字符或字符串表示，如int一维数组，类的名称为：[I，三维byte数组表示为“[[[B”，一维java.lang.Object数组表示为“[Ljava/lang/Object”。多维数组表示为数组的数组。比如int二维数组，表示为一个一维数组，其中的每个元素是指向一个一维数组的引用：

 

 

1.2.6           程序计数器

每个线程一个程序计数器，里面存放的就是下一条要执行的指令的地址或returnAddress

 

1.2.7           Java栈

 

每个线程一个栈，每个方法调用一个栈帧。

方法可以有两种方式返回：

一种是通过return或执行完，正常返回

一种是抛出异常终止

不管哪种方法返回，虚拟机都会弹出栈帧。

 

1.2.8           栈帧

包括：局部变量区、操作数栈、帧数据区

 

l           局部变量区存放局部变量和方法参数

public class Example {     public static int someClassMethod(int i,long l,            float f,double d,Object o,byte b){        return 0;     }         public int someInstanceMethod(char c,double d,            short s,boolean b){        return 0;     } }

 

上述方法在执行时对应栈帧的信息如下：

 

 

观察runInstanceMethod()方法的栈帧，其中有一个引用类型，它就是隐含的this，指向这个方法所属的对象，而runClassMethod()方法中则没有这个引用。因为类方法只与类有关，与具体的实例无关，所以它不可能访问到this变量！

 

byte/short/char/boolean都转换成了int进行存储。

 

对象的传递是引用传递，即在局部变量区中永远不会有对象，而仅仅只是一个引用。

 

对于方法的参数，严格按照参数的先后顺序来存放

 

l           操作数栈

操作数，即指令所携带的数据，它也放在栈帧中（但不是通过索引来访问操作数，而是通过压栈出栈的方式来使用操作数）。虚拟机指令主要从操作数栈中获取操作数（也可以从字节码流或常量池中获取）。

如：

int i = 100;

int j = 98;

int k = i + j;

对应的指令序列：

 

 

指令序列对应的操作结果：

 

 

l           帧数据区，需存储数据以支持下面的操作

a)       常量池解析

                     i.              很多指令要用到常量池中的数据，在常量池中，一开始只是一些符号引用，当指令要用到这些数据的时候，必须对符号引用进行解析

b)       正常方法返回

                     i.              方法返回时，必须将返回值压入到调用方法的操作数栈中。

c)       异常派发机制

                     i.              为了处理异常，在帧数据区，需保存对一个异常表的引用。

1.       异常表的每一项，包括：

2.       try内部的代码的起始和结束位置

3.       catch异常类在常量池中的索引

4.       catch内代码的起始位置

d)       帧数据区可能还会保存一些与调试有关的信息

如：

 

 

 

 

调用方法前，把1和88.88压入操作数栈，调用方法后，创建了一个新的栈帧，而且把1和88.88放到了新的栈帧的局部变量区，调用完成后，结果被放到了上一个方法的操作数栈中。

在调用方法addTowTypes之前，需要到常量池中查找这个方法的地址，如果是第一次调用，它还是一个符号引用，所以，需要把符号引用转换为直接引用！

 

1.2.9           本地方法栈

忽略

 

1.2.10       执行引擎

每个线程都会对应一个执行引擎。（后台的垃圾收集线程除外）

 

l           指令集

a)       操作码+操作数

b)       操作码是否需要操作数，操作码本身就已经决定了它是否需要操作数

c)       操作数可以紧跟操作码，或从常量池、局部变量区、操作数栈中获取