浅谈Java虚拟机

末蓝、 2022-05-28 09:55 137阅读 0赞

每一个java程序员在自己的电脑上都会装jdk，而jdk中包含了编译、运行等开发工具和JRE，而JRE中包含了java的系统类库和JVM（java虚拟机），如图：![SouthEast][]

而我们写的java程序都会交给jvm去执行，那什么又是jvm呢？ 由于知识有限，有不对的地方，请各位同行批评，斧正。

有些时间不是很足的同学可以直接跳过中间的内容，直接看下面的总结部分。

我们先在网上看一下对虚拟机比较靠谱的解释：

虚拟机是一种抽象化的计算机，通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java虚拟机有自己完善的硬体架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使得Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就是.class文件，就可以在多种平台上不加修改地运行。

通俗点来讲：就是java虚拟机有自己的一套运行架构，用来运行.java文件所编译后的.class字节码文件的一个抽象化计算机。而"JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息",就说明了java程序经过编译之后，无论你是什么平台，什么系统，只要你装了java虚拟机，都可以运行，这就是使得java这门语言可以跨平台使用。只是由于系统的不同，JVM也不同罢了。但是其实现的步骤是一样的。

我们从进程的角度来理解一下JVM：

我们都知道，虚拟机是运行在操作系统中的，那么又是什么东西才能在操作系统中运行呢？没错，就是“进程”，因为进程是操作系统中最基本的执行单位。当它再运行的时候，它就是一个操作系统中的进程实例，当它没有运行的时候，我们可以将其称作为程序。如果说QQ，当QQ运行起来的时候，在任务管理器中，QQ就会是一个进程实例，当QQ没有运行的时候，它就是作为一个QQ.exe存放在文件系统中的。

熟知命令行的程序员都知道，其实一个命令对应一个可执行的二进制文件，当执行这个命令的时候，就会创建一个进程，加载对应的可执行文件到进程的地址空间中，并且执行其中的指令。

我们看一下java的helloworld程序的编译和执行：

helloworld.java

public class HelloWorld \{

public static void main(String\[\] args) \{

System.out.println("HelloWorld");

然后这个.java程序经过javac编译之后，就会生成一个helloworld.class的字节码文件。

然后经过java命令运行这个.class字节码文件，就会输出HelloWorld。

从这个过程可以看出，我们在运行java程序的时候，我们是要先要将.java的文件编译成.class字节码文件，然后经过java命令来执行这个.class字节码文件。因为.class文件并不能直接被操作系统识别的二进制可执行文件。我们用的java这个命令说明，我们首先是启动了一个叫做java的程序，这个java程序在运行起来之后就是一个JVM的进程实例。

命令执行流程是这样的：

java命令首先启动虚拟机的进程，虚拟机进程成功启动之后，然后读取参数"HelloWorld",把他作为初始类加载到内存中，对这个类进行初始化和动态链接，然后从类的main方法开始执行。也就是说我们的.class字节码文件并不是直接被系统加载后直接在cpu上执行的，而是被一个叫做虚拟机的进程托管的。首先必须要让虚拟机进程启动就绪，然后由虚拟机中的类加载器加载必要的class文件，包括jdk中的基础类，然后由虚拟机进程执行class字节码指令，把这些字节码指令翻译成本机cpu能够识别的指令，这样才能在cpu上去运行。

所以从这个层面上来看的话，在执行一个.java程序的时候，真正执行的是JVM进程，而不是.class字节码文件。这个JVM进程处理一些底层的操作，比如内存的分配和释放等。虚拟机进程执行的是我们的.class字节码文件，这些文件在运行时，会被加载到虚拟机中，被虚拟机解释执行，以控制虚拟机实现我们java代码中一些操作。比如I/O流创建一个文件等等，可以将class文件中的信息看做对虚拟机的控制信息，也就是一种虚拟命令。

JVM体系结构：

如图：

![SouthEast 1][]

[**一：类加载子系统**][Link 1]

我们编译过后的class文件是作为JVM的一种"原料"被输入到虚拟机的内部中去的，而负责这一部分工作的，其实是在JVM内部中有一个叫做**类加载器子系统**，这个子系统用来在运行时根据需要加载类。意思就是，在JVM执行过程中，只有当它需要一个类的时候，才会去调用这个类加载器去加载这个类，并不会一开始就去加载所有的类。意思就是JVM在执行的时候，当程序需要调用一个A类的时候，类加载器才会去调用这个A类，并不会一开始执行的时候就会把A、B、C...Z类全部都加载出来，那工作量的大了去了。一般来说，虚拟机加载类的时机，是在第一次使用一个新的类的时候加载。

**二：执行引擎子系统**

由虚拟机加载的类，被加载到JVM的内存中之后，虚拟机会读取并执行它里面存在的字节码指令，虚拟机中执行字节码指令的部分叫做**执行引擎子系统**。执行引擎的作用之一就是把各个class文件动态的连接起来。

**三：垃圾回收子系统**

java和其他语言有一个最大的不同，也是其特色之一，就是GC，垃圾回收机制。JVM会进行自动内存管理，具体来说就是自动释放没有用的对象，而不需要程序员编写代码去手动释放资源。这部分工作就是由JVM中的**垃圾收集子系统**来负责的。

所以，综上所诉，一个JVM实例在运行过程中有三个子系统来保障它能正常运行。如图：

![SouthEast 2][]

虚拟机的运行，必须加载class字节码文件，并且执行该文件中的字节码指令。那么它做这么多的事情，肯定会需要它自己的一个空间，也就是说虚拟机需要空间来存放数据。

它加载的字节码需要一个单的内存空间来存放，一个线程的执行，也需要内存空间来维护方法的调用关系，存放方法中的数据和中间计算结果等等等等。虚拟机在运行时内存区大概可以分成几个部分(大致表示一下)，如图：

![SouthEast 3][]

总结：

写在这里也写的差不多了，由于自己水平有限，也只能这样了，如果想要更加深入的了解JVM的知识，强烈推荐：

《深入Java虚拟机》

《深入理解Java虚拟机JVM高级特性与最佳实践》

《Java虚拟机规范》

对以上的内容做一个总结：

1.JVM(java虚拟机)从操作系统的角度来看，就是一个普通的进程；

2.这个虚拟机的进程较为特殊，它能够加载.class字节码文件。如果把JVM比作一辆车，那么class字节码文件就是油(气、电)；

3.加载class字节码文件的是一个叫做类加载器的子系统。就好比汽车的油箱口，将油送达至油箱中；

4.JVM中的执行引擎子系统是用来执行class文件中的字节码指令。就好比汽车的发动机，对油箱中的油进行燃烧处理。

5.JVM在执行过程中，要分配内存创建对象，当这些对象过时无用了，必须要自动清理这些无用的对象。垃圾回收机制(GC)就是由垃圾收集器子系统来负责的。就好比汽车发动机将汽油燃烧后，排出废气，腾出空间燃烧下一次的汽油。

[SouthEast]: /images/20220528/5983aaa5c0894607b2fb9aed4775c272.png
[SouthEast 1]: /images/20220528/ed4d206682554b9d92af8f8da99223da.png
[Link 1]: https://blog.csdn.net/wuxianzhenjia/article/details/80531476
[SouthEast 2]: /images/20220528/9fddb1a78ea546ee87ccf60937f8bb87.png
[SouthEast 3]: /images/20220528/1f3328eba6cc4e9bb941c2bc870db194.png