JVM 之运行原理及例子剖析

拼搏现实的明天。 2022-05-26 06:09 168阅读 0赞

## 前言 ##

上一节中，我们学习了JVM的基本结构个内存结构(特指运行时数据区结构)，本节我们讲学习一下JVM的运行流程，并通过一个实际例子来剖析一下在运行时JVM是如何分配内存结构中各个组成部分工作的。

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## 1、JVM运行原理 ##

*  JVM 运行原理  
    ![这里写图片描述][70]  
    说起Java，人们首先想到的是Java编程语言，然而事实上，Java是一种技术，它由四方面组成：Java编程语言、Java类文件格式、Java虚拟机和Java应用程序接口(Java API)。
    
    总而言之 JVM 运行原理就是：Java代码编译和执行的整个过程。
 *  Java代码编译和执行过程  
    正如前面所说，Java代码的编译和执行的整个过程大概是：开发人员编写Java代码(.java文件)，然后将之编译成字节码(.class文件)，再然后字节码被装入内存，一旦字节码进入虚拟机，它就会被解释器解释执行，或者是被即时代码发生器有选择的转换成机器码执行。
    
     *  Java代码编译是由Java源码编译器来完成，也就是Java代码到JVM字节码（.class文件）的过程。 流程图如下所示：  
        ![这里写图片描述][70 1]
     *  Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成，流程图如下所示：  
        ![这里写图片描述][70 2]

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## 2、JVM运行过程 ##

下图是JVM运行的主要过程：  
![这里写图片描述][70 3]

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Java代码编译和执行的整个过程包含了以下三个重要的机制:Java源码编译机制，类加载机制，类执行机制。

*  **2.1、Java源码编译机制**：
    
     *  Java 源码编译由以下三个过程组成：
        
         *  分析和输入到符号表
         *  注解处理
         *  语义分析和生成class文件
        
        流程图如下所示：  
        ![这里写图片描述][70 4]  
        最后生成的class文件由以下部分组成：
        
         *  结构信息：包括class文件格式版本号及各部分的数量与大小的信息。
         *  元数据：对应于Java源码中声明与常量的信息。包含类/继承的超类/实现的接口的声明信息、域与方法声明信息和常量池。
         *  方法信息：对应Java源码中语句和表达式对应的信息。包含字节码、异常处理器表、求值栈与局部变量区大小、求值栈的类型记录、调试符号信息。
 *  **2.2、类加载机制**
    
    首先在学习类加载器加载class文件之前我们先学习一下类加载器。顾名思义类加载器是专门用来加载class文件的。
    
     *  2.2.1 确定类的层次关系和加载顺序  
        ![这里写图片描述][70 5]
        
         *  Bootstrap ClassLoader  
            负责加载$JAVA\_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++实现，不是ClassLoader子类。
         *  Extension ClassLoader  
            负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA\_HOME中jre/lib/\*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包。
         *  App ClassLoader  
            负责记载classpath中指定的jar包及目录中class。
         *  Custom ClassLoader  
            属于应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader。
            
            ![这里写图片描述][70 6]  
            **加载过程中会先检查类是否被已加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查，只要某个classloader已加载就视为已加载此类，保证此类只所有ClassLoader加载一次。而加载的顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试加载此类。**
            
             *  类加载顺序次图  
                ![这里写图片描述][70 7]
     *  2.2.2 检查类是否已经被加载  
        检查类是否已经被加载，从底层往上层依次检查各个加载器已经加载的类，顺序是系统应用类加载器、扩展加载器、根加载器，一旦发现被某个加载器加载过，则马上使用该类。如果一直找到最顶层的根加载器，发现类还没有被加载进JVM运行数据区的方法区，则接下来就要加载该类。
     *  2.2.3 类加载过程  
        加载过程和检查过程顺序相反，从上层往下层的顺序进行加载。从加载器检查自己的加载路径，找要加载的类，一旦找到类就进行加载。
 *  **2.3、类执行机制**  
    类在被加载之后，接下来进行连接、初始化，然后才是使用，最后卸载。
    
     *  2.3.1 **连接**。连接（linking）包括三个部分：
        
         *  验证verifying：验证类符合Java规范和JVM规范，和编译阶段的语法语义分析不同。
         *  准备preparing：为类的静态变量分配内存，初始化为系统的初始值。（不初始化静态代码块）。对于final static修饰的变量，直接赋值为用户的定义值。
         *  解析resolving：将符号引用（字面量描述）转为直接引用（对象和实例的地址指针、实例变量和方法的偏移量）
     *  2.3.2 **类初始化**  
        初始化类的静态变量和静态代码块为用户自定义的值。非静态类在实例化类，在Java堆中创建对象的时候，才会进行初始化。初始化的顺序，和Java源码的从上到下顺序一致。注意：什么时候触发初始化？在类被Java程序“第一次主动使用”的时候，才会触发初始化操作（如果还没有加载，则会顺势触发类的加载过程）。![这里写图片描述][70 8]
     *  2.3.3 **内存分配**  
        启动JVM后，操作系统就给JVM分配了内存空间，JVM自己由把得到的内存分为几块：  
        ![这里写图片描述][70 9]  
        JVM是基于栈结构的体系结构来执行class字节码的，不同于windows和Linux基于寄存器结构。类的执行机制，主要是在Java栈上面完成。当一个线程被创建后，Java栈和PC寄存器就会被创建。Java栈由栈帧组成，调用一个方法，就会生成一个栈帧（可以理解为表示调用一个方法）。栈帧又由局部变量表、操作数栈和常量池引用组成。![这里写图片描述][70 10]  
        执行的时候，每个线程都有一个Java栈，当前执行的栈称为当前栈。一个Java栈调用多个方法，则会push很多个栈帧，当前活动的栈帧称为当前栈帧。当前栈帧执行完毕之后，会把执行结果（如果有）压入到调用它的那个栈帧的操作数栈中，作为上一个栈帧的一个中间处理结果被调用，然后就会被pop出去。当所有调用的方法执行结束后，栈帧也就都pop掉没有了。  
        例如：执行代码  
        ![这里写图片描述][70 11]
     *  3.3.4 **类具体的执行过程**  
        本步骤由执行引擎Execute Engine来完成。执行引擎把字节码转为机器码，然后操作系统才可以真正调用，在硬件环境上执行代码。执行引擎的通过Java字节码解释器（一行一行解释字节码）和JIT（Just In Time）即时编译器（对热代码整段编译）来完成机器码的翻译工作。
        
         *  JIT编译器的工作流程为：  
            `JVM字节码 -> 机器无关优化 -> 中间代码 -> 机器相关优化 -> 中间代码 -> 寄存器分配器 -> 中间代码 -> 目标机器码生成器 -> 目标机器码`
     *  3.3.5 **类的卸载**

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## 例子 ##

*  案例分析一  
    ![这里写图片描述][70 12]
 *  案例分析二  
    ![这里写图片描述][70 13]  
    上面main方法中运行的程序过程如下：
    
     *  （1）用户创建了一个Student对象，运行时JVM首先会去方法区寻找该对象的类型信息，没有则使用类加载器classloader将Student.class字节码文件加载至内存中的方法区，并将Student类的类型信息存放至方法区。
     *  （2）接着JVM在堆中为新的Student实例分配内存空间，这个实例持有着指向方法区的Student类型信息的引用，引用指的是类型信息在方法区中的内存地址。
     *  （3）在此运行的JVM进程中，会首先起一个线程跑该用户程序，而创建线程的同时也创建了一个虚拟机栈，虚拟机栈用来跟踪线程运行中的一系列方法调用的过程，每调用一个方法就会创建并往栈中压入一个栈帧，栈帧用来存储方法的参数，局部变量和运算过程的临时数据。上面程序中的stu是对Student的引用，就存放于栈中，并持有指向堆中Student实例的内存地址。
     *  （4）JVM根据stu引用持有的堆中对象的内存地址，定位到堆中的Student实例，由于堆中实例持有指向方法区的Student类型信息的引用，从而获得add()方法的字节码信息，接着执行add()方法包含的指令。
 *  案例分析三
    
        public class Demo01 {
            public static void main(String[] args) {
                A a = new A();
                System.out.println(a.width);
            }
        }
        
        class A{
            public static int width=100; //静态变量，静态域 field
            static{
                System.out.println("静态初始化类A");
                width = 300 ;
            }
            public A() {
                System.out.println("创建A类的对象");
            }
        }
    
    分析：  
    ![这里写图片描述][70 14]  
    说明：  
    内存中存在栈、堆（放创建好的对象）、方法区（实际也是一种特殊堆）。
    
     *  1、JVM加载Demo01时候，首先在方法区中形成Demo01类对应静态数据（类变量、类方法、代码…），同时在堆里面也会形成java.lang.Class对象（反射对象），代表Demo01类，通过对象可以访问到类二进制结构。然后加载变量A类信息，同时也会在堆里面形成a对象，代表A类。
     *  2、main方法执行时会在栈里面形成main方法栈帧，一个方法对应一个栈帧。如果main方法调用了别的方法，会在栈里面挨个往里压，main方法里面有个局部变量A类型的a，一开始a值为null，通过new调用类A的构造器，栈里面生成A（）方法同时堆里面生成A对象，然后把A对象地址付给栈中的a,此时a拥有A对象地址。
     *  3、当调用A.width时，调用方法区数据。
 *  案例四  
    ![这里写图片描述][70 15]

[70]: /images/20220526/eeb6e6e68bb745dca43bb1583c858b44.png
[70 1]: /images/20220526/7652f4b46cee4a2c9cce5bfd3f7e9738.png
[70 2]: /images/20220526/b01ce3c9e6834056b3fd98399a6a04ed.png
[70 3]: /images/20220526/9ea3b758e5524c3fa7981ebb139c389f.png
[70 4]: /images/20220526/f7cc785282434e1eb4f31b1f435cdbe0.png
[70 5]: /images/20220526/a49bfa96f6ac46e3b8230ddbb742f9aa.png
[70 6]: /images/20220526/98e4640c57124735afc327a581cb859f.png
[70 7]: /images/20220526/fe8a5c96e7d44a7ea75b8bc471917d64.png
[70 8]: /images/20220526/ae43b9e437234992b418cd6edc680b55.png
[70 9]: /images/20220526/d04544817cde4dae82398424c5bafada.png
[70 10]: /images/20220526/b33db562816948d9a5e7878fbd558192.png
[70 11]: /images/20220526/96b430d245914a92aa90f6122a0271f6.png
[70 12]: /images/20220526/392b7257fb764af8bc8ed9e1b2589bae.png
[70 13]: /images/20220526/c9333fdcb3d7498e920e37b608eeb679.png
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