莫那·鲁道

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JVM-综述

概览

从 JVM 的总体上看,它解决了3个问题:

  1. Java 程序的内存管理(GC & 运行时数据区)。
  2. Java Class 二进制字节流的加载(ClassLoader)。
  3. Java 程序的执行(执行引擎)。

如下图所示:

虚拟机基本架构

在我们的日常开发中,最和我们息息相关的就是1和2了,比如 GC 调优,内存故障排查,再比如使用自定义的类加载器去实现一些特定的逻辑,就如我们之前分析的 tomcat 源码中的类加载器用于隔离不同版本的相同类库,必须要使用自定义的类加载器。

1. Java 程序的内存管理(GC & 运行时数据区)

1.1. 运行时数据区

从上图中可以看出,虚拟机内存管理主要由几个部分组成:

  1. Java 堆(存放对象的地方)
  2. Java 栈(在 HotSpot 实现中,本地方法栈和虚拟机栈合二为一)
  3. PC 寄存器(也称为程序计数器)
  4. 方法区(JDK8 中已经将方法区去除,改为元数据区,解决了方法区—-也称为永久代的内存溢出)。
  5. 直接内存(大小不限制于 Java 堆,直接向操作系统申请,使用场景于读写频繁的场合,例如 NIO)

1.2. 垃圾回收系统

Java 程序员之所以不需要显式的释放内存,一切都归功于 GC,GC 解放了 Java 程序员的双手。GC 系统会在后台清除无用的实例对象,释放内存空间。

而 JVM 中的 GC 可谓是一个庞大的系统,其中分为几个部分:

  1. 判断什么是垃圾对象
  2. 垃圾回收算法
  3. 各种各样的垃圾收集器

我们将会在后面慢慢讲解。

2. Java Class 二进制字节流的加载(ClassLoader)

2.1 类加载器

对于 Java 虚拟机来说,Class 文件是一个重要的接口,无论使用何种语言进行软件开发,只要能将源文件编译为正确的 Class 文件,那么这种语言就可以在 Java 虚拟机上运行。可以说,Class 文件就是虚拟机的基石。

如图所示:

各种语言都可以在 JVM 上运行

从上图可以看出,虚拟机不拘泥于 Java 语言,任何一个源文件只要能编译成 Class 文件的格式,就可以在JVM 上运行!Class 文件格式就像是一个接口,只要遵守这个接口,就能够在 JVM 上运行。

2.2 类加载器的工作流程

Class 文件通常是以文件的方式存在(任何二进制流都可以是 Class 类型),但只有能被 JVM 加载后才能被使用,才能运行编译后的代码。系统装在 Class 类型可以分为加载,链接和初始化三个步骤。其中,链接也可分为验证,准备和解析3步骤。如图所示:

Class 文件转载过程

2.3 类装载的条件

JVM 不会无故装载 Class 文件,只有在必要的时候才装载,哪几个时候呢?

  1. 当创建一个类的实例是,比如使用 new 关键字,或者通过反射,克隆,反序列化。
  2. 当调用类的静态方法时,即当使用字节码 invokstatic 指令。
  3. 当使用类或接口的静态字段时(final 常量除外),比如,使用 getstatic 或者 pustatic 指令。
  4. 当时用 Java.lang.reflect 包中的方法反射类的方法时。
  5. 当初始化子类,要求先初始化父类。
  6. 作为启动虚拟机,含有 main()方法的那个类。

以上6种情况属于主动调用,主动调用会触发初始化,还有一种情况是被动调用,则不会引起初始化。

2.4 类加载器的双亲委派模型

先来看一个著名的图:

类加载器双亲委派模型

虚拟机为了保护应用程序内出现多个类名相同的类对象,因此发明了这个机制:当 JVM 需要适用一个类时,在判断类是否已经被加载时,会先从当前底层类加载器进行判断。当系统需要加载一个类时,会从顶层类开始加载,依次向下尝试,知道成功,否则抛出ClassNotFound 异常。

# 总结

这篇文章主要是为了后面的详细文章做一个大纲,因此只是讲述以 JVM 的一些基本的框架和概念,后面讲详细的讲述内部细节。让我们学习虚拟机更加的有条理。