Java查漏系列（1）——JVM

一年多的时间没搞过java了，最近在学习hadoop，所以想把java再捡一捡，以前主要关注java的语法和api等，很少关注底层内存等，所以现在找时间把这块捡捡。

JVM，全称java virtual machine，也就是java虚拟机，望文生义的解释就是在计算机上面再虚拟出一个执行java程序的计算机。具体一点说，jvm可以被看成一个想象中的机器，在实际的计算机上通过软件模拟来实现，有自己想象中的硬件，如处理器、堆栈、寄存器等，还有自己相应的指令系统。JVM在它的生存周期中有一个明确的任务，那就是运行Java程序，因此当Java程序启动的时候，就产生JVM的一个实例；当程序运行结束的时候，该实例也跟着消失了。下面分别从JVM在系统中所处的位置、JVM的体系结构和JVM的运行过程三个方面来对JVM做一下介绍。

1.JVM在系统中的位置

首先，从宏观上看，JVM就是运行于具体操作系统上面的一个软件，如下图所示：



在整个java平台中，JVM是介于java应用程序与具体操作系统之间的一个组件，JVM在java平台中的位置如下图所示：



在Java平台的结构中, 可以看出，Java虚拟机(JVM) 处在核心的位置，是程序与底层操作系统和硬件无关的关键。它的下方是移植接口，移植接口由两部分组成：适配器和Java操作系统, 其中依赖于平台的部分称为适配器；JVM 通过移植接口在具体的平台和操作系统上实现；在JVM 的上方是Java的基本类库和扩展类库以及它们的API， 利用Java API编写的应用程序(application) 和小程序(Java applet) 可以在任何Java平台上运行而无需考虑底层平台,
就是因为有Java虚拟机(JVM)实现了程序与操作系统的分离，从而实现了Java 的平台无关性。

2.JVM体系结构

每个JVM都有两种机制，一个是装载具有合适名称的类(类或是接口)，叫做Class Loader；另外的一个负责执行包含在已装载的类或接口中的指令，叫做Execution Engine。每个JVM又包括Method Area、Heap、 Stack、PC Register和Native
Method Stack这五个部分，这几个部分和类装载机制与运行引擎机制一起组成的体系结构图为：



该图参考了网上广为流传的JVM构成图，从这个图中可以看出，整个JVM分为以下四个部分：
1）Class Loader（类装载器）
类加载器的作用是加载类文件到内存，比如编写一个HelloWord.java程序，然后通过javac编译成class文件，那怎么才能加载到内存中被执行呢？Class Loader承担的就是这个责任，并不是随便建立一个.class文件就能被加载的，Class Loader加载的class文件是有格式要求的，另外，Class Loader只管加载，只要符合文件结构就加载，至于说能不能运行，则不是它负责的，那是由ExecutionEngine负责的。
2）Execution Engine（执行引擎）
执行引擎也叫做解释器(Interpreter)，负责解释命令，提交操作系统执行。执行引擎处于JVM的核心位置，在Java虚拟机规范中，它的行为是由指令集所决定的。Java指令集相当于Java程序的汇编语言。Java指令集中的指令包含一个单字节的操作符,用于指定要执行的操作,还有0个或多个操作数,提供操作所需的参数或数据。许多指令没有操作数,仅由一个单字节的操作符构成。
虚拟机的内层循环的执行过程如下:

do{
	取一个操作符字节;
	根据操作符的值执行一个动作;
}while(程序未结束);

由于指令系统的简单性,使得虚拟机执行的过程十分简单,从而有利于提高执行的效率。
3）Native Interface（本地接口）
本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序，Java诞生的时候是C/C++横行的时候，要想立足，必须有一个聪明的、睿智的调用C/C++程序，于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native的代码，它的具体做法是Native MethodStack中登记native方法，在ExecutionEngine执行时加载nativelibraies。目前该方法使用的是越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java程序驱动打印机，或者Java系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见，因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用Socket通信，也可以使用Web
Service等等，不多做介绍。
4）Runtime Data Area（运行时数据区）
运行时数据区是整个JVM的重点，我们所有写的程序都被加载到这里，之后才开始运行，Java生态系统如此的繁荣，得益于该区域的优良自治。其中，Method Area和Heap是基于JVM实例的，即JVM的每个实例都有一个它自己的方法域和一个堆，运行于JVM内的所有的线程都共享这些区域，当虚拟机装载类文件的时候，它解析其中的二进制数据所包含的类信息，并把它们放到方法域中；当程序运行的时候，JVM把程序初始化的所有对象置于堆上。PC
Register和Stack是基于线程的，即每个线程创建的时候，都会拥有自己的程序计数器和 Java栈，其中程序计数器中的值指向下一条即将被执行的指令，线程的Java栈则存储为该线程调用Java方法的状态。本地方法调用的状态被存储在NativeMethod Stack，该方法栈依赖于具体的实现。
由于运行时数据区是整个JVM的重点，所以下一节详细介绍。

3.JVM运行过程

java源文件经过java编译器编译生成字节码文件（.class），字节码文件要能够在JVM中执行，需要经过以下三个步骤：装载、链接、初始化。下面分别对这三个步骤进行说明：
装载：类的装载是通过类装载器来完成的，类装载器需要完成的功能是定义一个java类，即把java字节码转换成JVM中的java.lang.class类的对象。所有的java类在JVM中的表现形式都是java.lang.class类的对象。
链接：java类的链接指的是将java类的二进制代码合并到JVM的运行状态之中的过程。在链接之前，这个类必须被成功加载。类的链接包括验证、准备和解析等几个步骤。验证用来确保java类的二进制表示在结构上是完全正确的，如果验证过程出现错误的话，会抛出java.lang.VerifyError错误。准备过程是创建java类中的静态域，并将这些域设为默认值，准备过程并不会执行代码。在一个java类中会包含对其它类或接口的形式引用，包括它的父类、所实现的接口、方法的形式参数和返回值的java类等，解析的过程就是确保这些被引用的类能被正确的找到，解析的过程可能会导致其它的java类被加载。
初始化：当一个java类第一次被真正使用到的时候，JVM会进行该类的初始化操作，初始化过程的主要操作是执行静态代码块和初始化静态域。在一个类被初始化之前，它的直接父类也需要被初始化。
下面通过一个例子来说明JVM的运行过程：

class HelloApp 
{
	public static int x = 10;
	public static void main(String[] args) 
	{
		System.out.println(x);
	}
	static{
		x = 30;
	}
}

其执行流程如下：



开始试图执行类HelloApp的main方法，发现该类并没有被装载，也就是说虚拟机当前不包含该类的二进制代表，于是虚拟机使用 ClassLoader试图寻找这样的二进制代表。如果这个进程失败，则抛出一个异常。类被装载后同时在main方法被调用之前，必须对类 HelloApp与其它类型进行链接然后初始化。以上程序中，静态域为x，静态代码块部分也是给x赋值，初始化完成后，x的值为30。

下一节重点介绍一下JVM中的Runtime Data Area这一区域。