『網際網路架構』軟體架構-JVM（上）（25）

摘要： 說到JVM，很多工作多年的老鐵，可能就有點發憷了，因為搬磚多年，一直使用java這個工具，對於JVM沒有了解過，有句話面試造航母，上班擰螺絲，要啥自行車啊，知道如何搬磚就可以了，為啥要懂這麼多，如果你有很強的商業頭腦，不需要了解太多深入的東西，只要完成業務功能就可以了，如果你口才也不行，只有一...

說到JVM，很多工作多年的老鐵，可能就有點發憷了，因為搬磚多年，一直使用java這個工具，對於JVM沒有了解過，有句話面試造航母，上班擰螺絲，要啥自行車啊，知道如何搬磚就可以了，為啥要懂這麼多，如果你有很強的商業頭腦，不需要了解太多深入的東西，只要完成業務功能就可以了，如果你口才也不行，只有一個程式設計的大腦，老鐵沉下心咱們一起了解下，你平常擰螺絲的扳手的結構把，這個真心有用。因為它可以讓你走的更遠，掙的更多！

###JVM

JVM一些概念

• 什麼是JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機器）的縮寫，JVM是一種用於計算裝置的規範，它是一個虛構出來的計算機，是通過在實際的計算機上模擬模擬各種計算機功能來實現的。Java虛擬機器包括一套位元組碼指令集、一組暫存器、一個棧、一個垃圾回收堆和一個儲存方法域。 JVM遮蔽了與具體作業系統平臺相關的資訊，使Java程式只需生成在Java虛擬機器上執行的目的碼（位元組碼）,就可以在多種平臺上不加修改地執行。JVM在執行位元組碼時，實際上最終還是把位元組碼解釋成具體平臺上的機器指令執行。

• JVM和普通虛擬機器
  1.JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機器），執行java位元組碼的環境，一個程式自己獨立的環境，必須要包含堆疊，暫存器，位元組碼指令。Java、Android、Scala、Groovy等語言都是可以在JVM上執行的，它們都遵照JVM的指令集的，也就是class規範。
  2.VMWare，VisualBox它是一個完完整整可以提供一個虛擬主機的PC，這種虛擬機器上邊必須安裝作業系統的，它是模擬物理主機的CPU的指令集。

• JVM、JDK、JRE的關係

  JVM是基本的單位，JRE是java的執行是環境，JDK是開發工具集

  JVM 小於 JRE 小於 JDK

1.JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java執行環境)，也就是Java平臺。所有的Java 程式都要在JRE下才能執行。普通使用者只需要執行已開發好的java程式，安裝JRE即可。

2.JDK(Java Development Kit)是程式開發者用來來編譯、除錯java程式用的開發工具包。JDK的工具也是Java程式，也需要JRE才能執行。為了保持JDK的獨立性和完整性，在JDK的安裝過程中，JRE也是 安裝的一部分。所以，在JDK的安裝目錄下有一個名為jre的目錄，用於存放JRE檔案。

3.JVM(JavaVirtualMachine，Java虛擬機器)是JRE的一部分。它是一個虛構出來的計算機，是通過在實際的計算機上模擬模擬各種計算機功能來實現的。JVM有自己完善的硬體架構，如處理器、堆疊、暫存器等，還具有相應的指令系統。Java語言最重要的特點就是跨平臺執行。使用JVM就是為了支援與作業系統無關，實現跨平臺。

• JVM產品有哪些
  

   HotSpot，Jrockit，J9 
  

• 為什麼出現JVM
  1.C，C++是基於os架構，CPU架構。64位的版本在32位無法執行的。效能非常高，編寫底層實現。
  2.JAVA可以一次編寫到處執行，移植性好。

JVM執行流程

JVM結構

1.類載入器

2.執行引擎

3.執行時資料區

4.本地介面

• ClassLoader類載入器
  

  JVM載入的是.class檔案。其實，類的載入指的是將類的.class檔案中的二進位制資料讀入到記憶體中，將其放在執行時資料區的方法區內，然後在堆區建立一個java.lang.Class物件，用來封裝類在方法區內的資料結構。類的載入的最終產品是位於堆區中的Class物件，Class物件封裝了類在方法區內的資料結構，並且向Java程式設計師提供了訪問方法區內的資料結構的介面。

  同時，JVM規範允許類載入器在預料某個類將要被使用時就預先載入它，如果在預先載入的過程中遇到了.class檔案缺失或存在錯誤，類載入器會在程式首次主動使用該類時會生成錯誤報告（LinkageError錯誤），如果這個類一直沒有被程式主動使用，那麼類載入器就不會報告錯誤。

• 雙親委派模型

• 類載入過程

1. 當一個類載入器接收到一個類載入的任務時，不會立即展開載入，而是將載入任務委託給它的父類載入器去執行，每一層的類都採用相同的方式，直至委託給最頂層的啟動類載入器為止。如果父類載入器無法載入委託給它的類，便將類的載入任務退回給下一級類載入器去執行載入。
2. 雙親委託模型的工作過程是：如果一個類載入器收到了類載入的請求，它首先不會自己去嘗試載入這個類，而是把這個請求委託給父類載入器去完成，每一個層次的類載入器都是如此，因此所有的載入請求最終都應該傳送到頂層的啟動類載入器中，只有當父類載入器反饋自己無法完成這個載入請求（它的搜尋範圍中沒有找到所需要載入的類）時，子載入器才會嘗試自己去載入。
3. 使用雙親委託機制的好處是：能夠有效確保一個類的全域性唯一性，當程式中出現多個限定名相同的類時，類載入器在執行載入時，始終只會載入其中的某一個類。
4. 使用雙親委託模型來組織類載入器之間的關係，有一個顯而易見的好處就是Java類隨著它的類載入器一起具備了一種帶有優先順序的層次關係。例如類java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，無論哪一個類載入器要載入這個類，最終都是委託給處於模型最頂端的啟動類載入器進行載入，因此Object類在程式的各種載入器環境中都是同一個類。相反，如果沒有使用雙親委託模型，由各個類載入器自行去載入的話，如果使用者自己編寫了一個稱為java.lang.Object的類，並放在程式的ClassPath中，那系統中將會出現多個不同的Object類，Java型別體系中最基礎的行為也就無法保證，應用程式也將會變得一片混亂。如果自己去編寫一個與rt.jar類庫中已有類重名的Java類，將會發現可以正常編譯，但永遠無法被載入執行。
5. 雙親委託模型對於保證Java程式的穩定運作很重要，但它的實現卻非常簡單，實現雙親委託的程式碼都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中，邏輯清晰易懂：先檢查是否已經被載入過，若沒有載入則呼叫父類載入器的loadClass()方法，若父載入器為空則預設使用啟動類載入器作為父載入器。如果父類載入器載入失敗，丟擲ClassNotFoundException異常後，再呼叫自己的findClass方法進行載入。

• 載入
  簡單的說，類載入階段就是由類載入器負責根據一個類的全限定名來讀取此類的二進位制位元組流到JVM內部，並存儲在執行時記憶體區的方法區，然後將其轉換為一個與目標型別對應的java.lang.Class物件例項（Java虛擬機器規範並沒有明確要求一定要儲存在堆區中，只是hotspot選擇將Class對戲那個儲存在方法區中），這個Class物件在日後就會作為方法區中該類的各種資料的訪問入口。

• 連結

  連結階段要做的是將載入到JVM中的二進位制位元組流的類資料資訊合併到JVM的執行時狀態中，經由驗證、準備和解析三個階段。

  (1)驗證

  驗證類資料資訊是否符合JVM規範，是否是一個有效的位元組碼檔案，驗證內容涵蓋了類資料資訊的格式驗證、語義分析、操作驗證等。

  格式驗證：驗證是否符合class檔案規範

  語義驗證：檢查一個被標記為final的型別是否包含子類；檢查一個類中的final方法視訊被子類進行重寫；確保父類和子類之間沒有不相容的一些方法宣告（比如方法簽名相同，但方法的返回值不同）

  操作驗證：在運算元棧中的資料必須進行正確的操作，對常量池中的各種符號引用執行驗證（通常在解析階段執行，檢查是否通過富豪引用中描述的全限定名定位到指定型別上，以及類成員資訊的訪問修飾符是否允許訪問等）

  (2)準備

  為類中的所有靜態變數分配記憶體空間，併為其設定一個初始值（由於還沒有產生物件，例項變數不在此操作範圍內）

  被final修飾的靜態變數，會直接賦予原值；類欄位的欄位屬性表中存在ConstantValue屬性，則在準備階段，其值就是ConstantValue的值

  (3)解析

  將常量池中的符號引用轉為直接引用（得到類或者欄位、方法在記憶體中的指標或者偏移量，以便直接呼叫該方法），這個可以在初始化之後再執行。

  可以認為是一些靜態繫結的會被解析，動態繫結則只會在執行是進行解析；靜態繫結包括一些final方法(不可以重寫),static方法(只會屬於當前類)，構造器(不會被重寫)

• 初始化

  將一個類中所有被static關鍵字標識的程式碼統一執行一遍，如果執行的是靜態變數，那麼就會使用使用者指定的值覆蓋之前在準備階段設定的初始值；如果執行的是static程式碼塊，那麼在初始化階段，JVM就會執行static程式碼塊中定義的所有操作。

  所有類變數初始化語句和靜態程式碼塊都會在編譯時被前端編譯器放在收集器裡頭，存放到一個特殊的方法中，這個方法就是 方法，即類/介面初始化方法。該方法的作用就是初始化一箇中的變數，使用使用者指定的值覆蓋之前在準備階段裡設定的初始值。任何invoke之類的位元組碼都無法呼叫

  方法，因為該方法只能在類載入的過程中由JVM呼叫。

  如果父類還沒有被初始化，那麼優先對父類初始化，但在 方法內部不會顯示呼叫父類的 方法，由JVM負責保證一個類的 方法執行之前，它的父類

  方法已經被執行。

  JVM必須確保一個類在初始化的過程中，如果是多執行緒需要同時初始化它，僅僅只能允許其中一個執行緒對其執行初始化操作，其餘執行緒必須等待，只有在活動執行緒執行完對類的初始化操作之後，才會通知正在等待的其他執行緒。

JVM執行時資料區

JVM在執行Java程式碼時都會把記憶體分為幾個部分，即資料區來使用，這些區域都擁有自己的用途，並隨著JVM程序的啟動或者使用者執行緒的啟動和結束建立和銷燬。

• Program Counter Register

  >作用

  當前執行緒執行的位元組碼的行號指示器，通過改變此指示器來選取下一個需要執行的位元組碼指令

特徵

1.線上程建立時建立

2.每個執行緒擁有一個

3.指向下一條指令的地址

• Method Area(Non-Heap)

  >執行緒共享

儲存

1.類資訊

2.常量

3.靜態變數

4.方法位元組碼

• VM Stack / Native Method Stack

  >執行緒私有

方法在執行時會建立一個棧幀（Stack Frame）用於儲存區域性變量表、運算元棧、動態連結、方法出口等資訊

方法從呼叫直至執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機器棧中入棧到出棧的過程

區域性變量表所需的記憶體空間在編譯期間完成分配，而且分配多大的區域性變數空間是完全確定的，在方法執行期間不會改變其大小

出棧後空間釋放

• Heap

  >執行緒共享

儲存物件或陣列

Heap劃分

• JMM

執行緒工作記憶體，主記憶體

JMM模型

PS：梳理了JVM的概念，以及JVM和JDK的關係，為什麼用JVM，JVM的認識，JVM的執行流程，class檔案被JVM執行引擎，載入到資料區中，編譯到作業系統識別的指令，針對作業系統不同的指令。JVM針對不同作業系統進行了class只有一份。實現跨平臺。JVM的執行資料區分為執行緒共享的資料區（方法，堆）和執行緒獨立的資料區（棧，程式計數器）。JVM真的基本上都是文字的東西。可能比較難理解，有工作經驗稍微好理解些。確實太底層了。

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