JVM 基础知识

JVM 概念

JVM（Java Virtual Mechine，Java虚拟机），是 Java 应用程序的运行时引擎。JVM 是 JRE（Java Runtime，Java运行环境）的一部分，它实际上就是去执行 Java 程序的 main 方法。

为什么说 Java 是一个平台无关的语言？ Java 号称是 Write Once，Run Anywhere，能实现这个的核心，就是 JVM 。当我们通过编译器编译 .java 文件时，会生成一个同名的 .class 文件（包含字节码），当我们运行 Java 程序时，流程如图所示：

类加载器子系统

类加载器子系统主要负责以下三部分：

• 装载
• 链接
• 初始化

装载

类加载器读取 .class 文件，生成相应的二进制数据并将其保存在方法区域中。对于每个 .class 文件，JVM 在方法区域中存储以下信息：

• 已加载类及其直接父类的全名（含包名）
• .class 文件是否与类或接口或 Enum 相关
• 修饰符，变量和方法信息等

加载完 .class 文件后，JVM 会创建一个类型为 Class 的对象，以便在堆内存中表示此文件。这里需要注意的是，该 Class 对象的类型是在java.lang包中预定义的类。这个Class对象可以被程序员用于获取类名，类名，方法和变量信息等类级别信息。我们可以通过 Object#getClass 方法来获取该对象。这也是 Java 反射的基础，关于反射可参见这篇文章。

/** 
 * java获取Class对象的三种方式 
 */  
public static Class<?> getClassObj() {  
    // 根据类名获取Class对象  
    Class<?> clazz1 = People.class;  

    // 根据对象获取Class对象  
    People people = new People();  
    Class<?> clazz2 = people.getClass();  

    // 根据完整类名获取Class对象  
    try {  
        Class<?> clazz3 = Class.forName("com.yuyh.reflection.java.People");  
    } catch (ClassNotFoundException e) {  
        Log.e(TAG, e.toString());  
    }  

    Log.i(TAG, "clazz1 = " + clazz1);  

    return clazz1; // clazz2 clazz3  
}  

链接

链接过程负责对二进制字节码的格式进行： 校验、初始化装载类中的静态变量、解析类中调用的接口、类。在完成了校验后，JVM初始化类中的静态变量，并将其值赋为默认值。

• 校验： 确保 .class 文件的正确性，检查此文件是否正确格式化并由有效编译器生成。如果验证失败，将会抛出运行时异常：java.lang.VerifyError ；
• 初始化： JVM为类变量分配内存并将内存初始化为默认值。例如 public static int CODE = 1; 实际上，是将CODE初始化为0；
• 解析： 通过搜索方法区域来定位被引用的实体。对类中的所有属性、方法进行解析，以确保其需要调用的属性、方法存在，以及具备应的权限，若方法或属性不存在，将会抛出 NoSuchMethodError 、NoSuchFieldError 等异常。

初始化

在这个阶段，所有静态变量都会分配他们在代码和静态块（如果有）中定义的值，也就是赋值。执行顺序是在类中从上到下执行，在类层次中从父类到子类执行。 通常有三个类加载器：

• 引导类加载器： 每个 JVM 实现都必须有一个引导类加载器，用于加载加载 JAVA_HOME/jre/lib 目录中存在的核心 Java API 类。这个路径通常称为引导路径。该加载器通过 C，C ++ 等语言实现。
• 扩展类加载器：用于加载扩展目录 JAVA_HOME/jre/lib/ext（扩展路径）或 java.ext.dirs 系统属性指定的任何其他目录中存在的类。该加载器通过 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 类实现。
• 系统/应用程序类加载器：是扩展类加载器的子类，用来加载启动参数中指定的Classpath中的jar包以及目录。它也通过 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 类实现，对应的类名为 AppClassLoader 。

举个栗子：

public class Test{

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        System.out.println(Test.class.getClassLoader());
    }
}   

输出：

null
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e03

因为 String 类是通过引导类加载器加载的，而引导类加载器是通过 C/C++ 实现的，并非 Java 对象，所以为null；而我们自定义的类是通过应用程序类加载器加载的。

注：JVM遵循委托 - 层次原理来加载类。

1. 系统类加载器 委托加载请求到 扩展类加载器
2. 扩展类加载器 委托加载请求到 引导类加载器
3. 如果类在引导路径中找到，类被加载，否则请求再次传递到扩展类加载器，然后到系统类加载器。最后如果系统类加载器无法加载类，那么我们得到运行时异常java.lang.ClassNotFoundException。如图所示：

JVM 内存模型

方法区（Method Area）

在方法区域中，存储类名称、直接父类名称、方法和变量信息等所有类级信息，包括静态变量。每个 JVM 只有一个方法区，它是一个线程共享资源。

对于每一个加载的类，会在方法区中保存以下信息：

类型信息
  类及其直接父类的全限定名（java.lang.Object没有父类）
  类的类型
  类的访问修饰符
  实现的接口的全限定名的列表
  字段与方法信息
  常量池
  除常量外的静态变量
  类的Class及ClassLoader引用

字段信息
  字段名
  字段类型
  字段的修饰符(public, private , protected, static, final, volatile, transient)

方法信息
  方法名
  方法返回类型
  方法参数的数量和类型（按照顺序）
  方法的修饰符(public, private, protected , static, final, synchronized, native, abstract)

堆区（Heap Area）

所有对象（包括数组）的信息存储在堆区域中。每个 JVM 也有一个堆区域，并且它也是一个线程共享资源。堆区可能会抛出 OutOfMemoryError 异常。

栈区（Stack Area）

对于每个线程，JVM 会创建一个存储在此处的运行时堆栈。每调用一个方法，就会生成一个栈帧（Stack Frame）用于存储方法的本地变量表、操作栈、方法出口等信息，当这个方法执行完后，就会弹出相应的栈帧。如果请求的栈的深度过大，虚拟机可能会抛出 StackOverflowError 异常，如果虚拟机的实现中允许虚拟机栈动态扩展，当内存不足以扩展栈的时候，会抛出 OutOfMemoryError 异常。在线程终止后，它的运行时栈将被 JVM 销毁。它不是共享资源。

程序计数器（Program Counter Register）

存储线程当前执行指令的地址。由于多线程间切换时要恢复每一个线程的当前执行位置，显然每个线程都会有独立的PC寄存器。

本地方法栈（Native Method Stacks）

对于每个线程，会创建单独的本地堆栈。它存储本地方法信息。与 Stack Area 类似。

执行引擎

执行引擎执行 .class（字节码）。它逐行读取字节代码，读取各类存储区中存在的数据和信息并执行指令。它可以分为三个部分：

• 解释： 它逐行解释字节码，然后执行。主要缺点是当一个方法被多次调用时，每次都需要解释。（第一代JVM）
• 即时编译（Just-In-Time Compiler，JIT）： 用于提高解释器的效率。它编译整个字节码并将其更改为本机代码，因此每当解释器查看重复的方法调用时，JIT为该部分提供直接本地代码，因此不需要重新解释，从而提高效率。（第二代JVM）
• 垃圾收集器：它会销毁未引用的对象。关于垃圾收集，暂不叙述。

Java Native Interface (JNI)

它是与本地方法库交互并提供执行所需的本机库（C，C ++）的接口，使JVM 可以调用C / C ++库。

本地方法库

它是执行引擎所需的本机库（C，C ++）的集合。