架構師視角：對JVM架構進行解析

每個Java 開發人員都知道字節碼由JRE (Java運行時環境)執行。但許多人不知道JRE是Java虛擬機(JVM)的實現， 它負責分析字節碼、解析並執行代碼。做爲一個開發人員瞭解JVM架構是很是重要的，由於它使咱們能更高效的編寫代碼。在這篇文章中咱們將更深刻了解Java中的JVM架構以及JVM的各個組件。

JVM是什麼?

虛擬機 是物理機器的一個軟件實現。Java運行在VM上，實現WORA (一處編寫，到處運行)。 編譯器將Java文件編譯成Java .class 文件，而後這個.class文件被輸入到JVM中進行類文件的加載和執行。下面是一個JVM的架構圖。

JVM是如何工做的呢?

正如上面的架構圖所示，JVM被分爲三個主要的子系統：

類加載器子系統

運行時數據區

執行引擎

1. 類加載器子系統

Java的動態類加載功能是由類加載器子系統處理。當它在運行時（不是編譯時）首次引用一個類時，它加載、連接並初始化該類文件。

1.1 加載

類由此組件加載。啓動類加載器 (Boot Strap class Loader)、擴展類加載器(Extension class Loader)和應用程序類加載器(Application class Loader) 這三種類加載器幫助完成類的加載。

啓動類加載器 – 負責從啓動類路徑中加載類，無非就是rt.jar。這個加載器會被賦予最高優先級。

擴展類加載器 – 負責加載ext 目錄(jre\lib)內的類.

應用程序類加載器 – 負責加載應用程序級別類路徑，涉及到路徑的環境變量等etc.

上述的類加載器會遵循委託層次算法（Delegation Hierarchy Algorithm）加載類文件。

1.2 連接

校驗 – 字節碼校驗器會校驗生成的字節碼是否正確，若是校驗失敗，咱們會獲得校驗錯誤。

準備 – 分配內存並初始化默認值給全部的靜態變量。

解析 – 全部符號內存引用被方法區(Method Area)的原始引用所替代。

1.3 初始化

這是類加載的最後階段，這裏全部的靜態變量會被賦初始值, 而且靜態塊將被執行。

2. 運行時數據區（Runtime Data Area）

運行時數據區域被劃分爲5個主要組件：

方法區（Method Area） – 全部類級別數據將被存儲在這裏，包括靜態變量。每一個JVM只有一個方法區，它是一個共享的資源。

堆區（Heap Area）– 全部的對象和它們相應的實例變量以及數組將被存儲在這裏。每一個JVM一樣只有一個堆區。因爲方法區和堆區的內存由多個線程共享，因此存儲的數據不是線程安全的。

棧區（Stack Area）– 對每一個線程會單首創建一個運行時棧。對每一個函數呼叫會在棧內存生成一個棧幀(Stack Frame)。全部的局部變量將在棧內存中建立。棧區是線程安全的，由於它不是一個共享資源。棧幀被分爲三個子實體：

1.局部變量數組– 包含多少個與方法相關的局部變量而且相應的值將被存儲在這裏。

2.操做數棧– 若是須要執行任何中間操做，操做數棧做爲運行時工做區去執行指令。

3.幀數據– 方法的全部符號都保存在這裏。在任意異常的狀況下，catch塊的信息將會被保存在幀數據裏面。

4.PC寄存器– 每一個線程都有一個單獨的PC寄存器來保存當前執行指令的地址，一旦該指令被執行，pc寄存器會被更新至下條指令的地址。

5.本地方法棧– 本地方法棧保存本地方法信息。對每個線程，將建立一個單獨的本地方法棧。

3. 執行引擎

分配給運行時數據區的字節碼將由執行引擎執行。執行引擎讀取字節碼並逐段執行。

解釋器– 解釋器能快速的解釋字節碼，但執行卻很慢。 解釋器的缺點就是,當一個方法被調用屢次，每次都須要從新解釋。

JIT 編譯器– JIT編譯器消除了解釋器的缺點。執行引擎利用解釋器轉換字節碼，但若是是重複的代碼則使用JIT編譯器將所有字節碼編譯成本機代碼。本機代碼將直接用於重複的方法調用，這提升了系統的性能。

1.中間代碼生成器– 生成中間代碼

2.代碼優化器– 負責優化上面生成的中間代碼

3.目標代碼生成器 – 負責生成機器代碼或本機代碼

4.探測器(Profiler) – 一個特殊的組件，負責尋找被屢次調用的方法。

3.垃圾回收器: 收集並刪除未引用的對象。能夠經過調用"System.gc()"來觸發垃圾回收，但並不保證會確實進行垃圾回收。JVM的垃圾回收只收集哪些由new關鍵字建立的對象。因此，若是不是用new建立的對象，你可使用finalize函數來執行清理。

如何才能成爲一個公司的頂樑柱般架構師呢？

基本知識

1.學會分析源碼

程序員天天都和代碼打交道。通過數年的基礎教育和職業培訓，大部分程序員都會「寫」代碼，或者至少會抄代碼和改代碼。可是，會讀代碼的並不在多數，會讀代碼又真正讀懂一些大項目的源碼的，少之又少。這種怪狀，真要追究起來，怪不得程序員這個羣體自己 —— 它是兩個緣由形成的：

咱們全部的教育和培訓都在強調怎麼寫代碼，並無教你們如何讀代碼

大多數工做場景都是一個蘿蔔一個坑，咱們只須要了解一個系統的局部便能開展工做，讀不相干的代碼，彷佛沒用

讀源碼三問：「爲何要有這樣的架構」，「他是什麼樣子的」，「他是怎麼工做的」。

那麼阿里程序員是如何去讀代碼的呢？

2.分佈式架構特色及設計理念

首先須要說明的是，分佈式系統是一個複雜且寬泛的研究領域，學習一兩門在線課程，看一兩本書可能都是不能徹底覆蓋其全部內容的。介於這篇文章是引導初學者入門，因此我我的以爲爲初學者介紹一下當前分佈式系統領域的全貌，也許比直接推薦論文和課程更有幫助。當初學者對這個領域創建起一個大的 Picture 以後，能夠根據本身的興趣，有選擇性的深刻不一樣領域進行進一步的學習。

3.爲何微服務會這麼火？

要學習微服務，首先，咱們要了解爲何使用微服務。

代碼難以理解？

構建和部署耗時長，難以定位問題，開發效率低？

單體只能按總體橫向擴展，沒法分模塊垂直擴展？

一個bug有可能引發整個應用的崩潰？

受技術棧限制，團隊成員使用同一框架和語言？

那麼如何解決單體的不足呢，經過遷移到微服務架構來解決，咱們看一下什麼是微服務。

微服務架構:將單體應用拆分爲多個高內聚低耦合的小型服務，每一個小服務運行在獨立進程，由不一樣的團隊開發和維護，服務間採用輕量級通訊機制，獨立自動部署，能夠採用不一樣的語言及存儲。

單體架構整個團隊維護開發一個大工程及一個單庫，到了微服務架構，用戶請求通過API Gateway被路由到下游服務，服務之間以輕量級通訊協議進行通訊，服務經過註冊中心發現彼此，每一個服務都有專門的開發維護團隊，每一個服務對應獨立的數據庫，服務獨立開發，獨立部署和上線。

接下來咱們總結下微服務的優勢。

易於開發與維護

微服務相對小，易於理解

啓動時間短，開發效率高

獨立部署

一個微服務的修改不須要協調其它服務

伸縮性強

每一個服務均可以在橫向和縱向上擴展

每一個服務均可按硬件資源的需求進行獨立擴容

與組織結構相匹配

微服務架構能夠更好將架構和組織相匹配

每一個團隊獨立負責某些服務，得到更高的生產力

技術異構性

使用最適合該服務的技術

下降嘗試新技術的成本

下面就送上學習架構圖吧

若是你以爲想提高下本身，學習文章中的知識，在此推薦一個免費公開課的地方，能夠加羣：433540541，找羣主獲取上課資格，這是免費的課程，找羣主要的時候能夠客氣一點。

4.程序員到底要不要學習JVM

總有人問這個東西好像用不上,因而要不要學這樣的問題。

而後又總有人擔憂一直搬磚整天作些重複沒提高的東西。

若是你這輩子只甘心作一個平庸的Java碼農，那麼你徹底沒有必要去學習JVM相關的知識，學習JVM對於一個Java程序員的好處大概能夠歸納爲下幾點：

1.你可以明白爲何Java最先期被稱爲解釋型語言，然後來爲何又被你們叫作解釋與編譯並存的語言（瞭解JVM中解釋器以及即時編譯器就能夠回答這個問題）；

2.你可以理解動態編譯與靜態編譯的區別，以及動態編譯相對於靜態編譯到底有什麼好處（JVM JIT）；

3.你可以利用一些工具，jmap, jvisualvm, jstat, jconsole等工具能夠輔助你觀察Java應用在運行時堆的佈局狀況，由此你能夠經過調整JVM相關參數提升Java應用的性能；

4.能夠清楚知道Java程序是如何執行的；

5.能夠明白爲何Java等高級語言具備可移植性強的特性。

其實這個問題至關於「爲何C／C++程序員須要學體系結構與編譯原理？」

話很少說，附上學習體系圖

5.被咱們忽略掉的工程化專題

IT產業行業細分化已經不是一天兩天的事了。集成技術這件事並不可恥好笑，反而是另外一種難得的能力。並非像一些人形容的那樣，好像批發幾個CPU，拿到華強北就能把本身的電腦改裝成超級計算機了。

那麼，爲何咱們經常會忽略掉工程化這件事的價值呢？主要的緣由，或許是由於工程化這件事自己就離咱們太遠。一個產業工程化的廣泛性越高，說明這個產業發展的越成熟：產業鏈細分、分工細化、全球化的研發和生產這些高效的工做方式開始出現。而產業成熟也每每表明着寡頭化狀況顯著。

在IT產業中，寡頭化出現表明着創業公司減小——沒人再去用聲勢浩大的發佈會講故事、沒人再去宣傳本身拿了多少融資。

這一代中國人自小的教育不比歐美的STEAM，而是重學術、輕手藝。咱們每每會爲工科和產能過剩畫上等號。強大的資本和技術門檻爲這些產業蒙上了一層神祕的面紗，讓普通人很難真正瞭解到其中技術和工藝的複雜程度，也就更難明白其中的價值。可正是由於中國的工程化能力，才讓咱們有機會走到AI時代的第一梯隊，而不只僅是靠學術研究能力。

另一個緣由，或許在於咱們天生「叛逆心」。超級計算機、手機芯片等等技術門檻較高的產業，其背後每每是大企業和國資科研機構。當評判的對象是他們時，咱們彷佛更願意相信狗血的商業故事和陰謀論：好比科研經費都被教授們吃吃喝喝啦；搞超級計算機就是放衛星其實美日根本不care啦；XX企業的技術都是從創業公司買來的除了會賺用戶的錢啥技術都沒有……

產生這種「叛逆心」的緣由太深入，咱們能作到的，只有在這種「慣性思惟」出現時先按住本身奔向鍵盤的手，轉表達欲爲好奇心，完成本身瞭解的義務，再去行使本身批判的權利。

附上思惟腦圖

6.沒有高併發經驗，想進大公司該怎麼辦？

假如沒有靠譜的公司,接觸不到高併發的業務場景怎麼辦?你永遠解決的是小問題，工做10年技術也未必提高多少。

不少程序員也常常找我說，沒有經驗就沒有靠譜的公司收，沒有靠譜的公司也就沒有經驗，我看了無數的書，本身作了無數的實驗拼命想找個靠譜公司去深刻，可是感受好難，簡直是個死循環

讀者羣的朋友你們都比較關注高併發，緣由很簡單，想去BAT這樣的大公司，你必需要有高併發的經驗。今天普及下高併發的知識，但願你們對高併發有一個正確的認識。

7.學習千遍，不如項目實戰成功一次

咱們在學習過程當中最容易犯的一個錯誤就是：看的多，動手的少。特別是對一些項目的總體開發，咱們接觸的機會就更少了。

一次完整的開發，是最好的學習。它能讓你對整個開發流程有完整的認識，對知識也會有極大的鞏固。更重要的是，你將學會將理論知識用到實際開發中的方法。

因此不管項目大小，必定要動手去進行開發學習。

項目實戰相信不少程序員都多少會有的，但是咱們這個還要學習什麼呢？

那就要看你想不想成爲一個架構師了，爲何98%的程序員工做10年，一生還只是一個開發者。程序員們都要想想這個問題，我是否是須要提高了。

我認爲，學習項目實戰最重要的仍是學習項目管理，做爲程序員，都應該學點項目管理。

凡事皆爲「項目」

項目的兩類屬性（複雜的邏輯，龐大的信息量）

人腦擅長的是思考，而不是記憶

成爲一個「獨當一面」的人

獨當一面是一個很性感的詞。是否擁有它，對應的職場價值，有着天壤之別的。

全部老闆都喜歡「獨當一面」的員工，由於這是最省心力、最好算帳的模式：給你一塊資源，給你一個 title，給你一個目標，而後你給我打出一片天地來。

當你能獨立對一攤子事情負責，並把它們一一搞定，你會擁有大幅度的職場溢價——相應的，其收入回報，也遠非「技術螺絲」可比了。

若是你很進取，你會逐漸地：主導一個小組，一個部門，一個家庭，甚至仍是城市……而這全部的一切起點，正是獨立完整地作好一個項目：你沒有誰能夠依靠，你要對其中大大小小的事務負責，你要對最後的結果。

換句話說，「項目管理」是「獨當一面」的元能力。在這個過程當中，你的意識愈加清晰，你的方法論愈加成熟，你的信心更加沛，項目越作越大。直到某天，你真的有了掌控一方的封疆大吏。

這就是咱們學習「項目實戰」的終極意義。

或許做爲程序員的你想提高本身，卻找不到突破口，公司沒人帶。又或許你已經工做6年了，卻仍是很迷茫，不少知識都仍是不懂，也沒有達到本身指望的一個職位，薪資。在此推薦一個免費公開課的地方，上面所提到的架構師基本知識點都有資料，能夠加羣：617434785，找羣主獲取上課資格，這是免費的課程，找羣主要的時候能夠客氣一點。

到這裏，你可能認爲文章已經完了，學完這些就能夠去BAT大公司作一個架構師，年薪50W+嗎？

不，你錯了，這些都知識最基本的知識，想要成爲一個架構師必須是一個累積的過程，也是這麼多程序員終其一輩子也只是一個開發，到年齡就會被公司辭退。