走進JVM，淺水也能捉魚

這不是一篇描述jvm是什麼的文章，也不介紹jvm跨平臺的特性，也不是講述jvm安全特性的文章，更不是講解jvm指令操做，數據運算的文章，本文重點講述類型的生命週期。

　　類型的生命週期涉及到：類的裝載、jvm體系結構、垃圾回收機制。

　　爲何要講jvm體系結構？由於類的裝載和垃圾回收機制都和jvm體系結構息息相關。

　　那麼什麼是jvm體系結構呢？

　　當jvm運行起來的時候，它會向系統申請一片內存區（不一樣的jvm實現可能不一樣，有些可使用虛擬內存），將這塊內存分出一部分存儲許多東西，例如：程序建立的對象，傳遞給方法的參數，返回值，局部變量等等，咱們將這塊內存稱之爲運行時數據區，運行時數據區能夠劃分紅方法區、堆、java棧、pc寄存器、本地方法棧。看到上面這幅圖，和這些解說你可能大概的明白jvm體系是個啥樣子，可是你或許還不瞭解運行時數據區裏面方法區等用來幹嗎的。

• 方法區：當虛擬機裝載一個class文件的時候，它會從這個class文件包含的二進制數據中解析類型信息，而後將這些類型信息放到方法區中。由於方法區是被全部線程共享的，因此必須考慮數據的線程安全。假如兩個線程都在試圖找lava的類，在lava類尚未被加載的狀況下，只應該有一個線程去加載，而另外一個線程等待。
• PC寄存器：每一個新線程產生都將獲得本身的pc寄存器以及一個java棧幀。
• 堆：存放程序運行時產生的全部對象。堆是一個線程共享的內存區，因此咱們寫多線程程序的時候須要考慮併發。
• Java棧：java棧由許多棧幀組成的，如圖，當一個線程調用java方法時，虛擬機壓入一個新的棧幀到java棧中，當方法返回的時候，這個棧幀被從java棧彈出並被拋棄。

　　那麼如今你應該能夠想象到一些jvm是怎麼工做的了，是否是應該接着講具體工做原理了呢？。可是不急，先了解下類的裝載機制。

　　瞭解類的裝載機制以前先了解jvm裏面的類裝載器：BootstrapLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader；ExtClassLoader（負責裝載jre下面的rt.jar,charsets.jar）和AppClassLoader(負責轉載classpath下面的類包)是ClassLoader（抽象類）的子類；

　　BootstrapLoader（負責裝載jre核心類庫）是根裝載器，是c/c++寫的，在java裏面看不到它。

　　這三個類裝載器存在父子關係，根裝載器是ExtClassLoader父裝載器，ExtClassLoader是AppClassLoader父裝載器；

　　Jvm中類的裝載也是安全機制沙箱模型的第一道門檻。Java裝載類使用雙親委派模式即全盤負責委託機制。好如今讓咱們瞭解裝載大概流程。

　　當裝載一個類的時候，如果由用戶指定一個類裝載器裝載的話，那麼那個類裝載器會先委派給父類裝載器，一直委派到根裝載器，若是裝載的是一個java.lang.String，因爲它是核心類庫的並且已經被裝載過了，那麼就會直接返回一個class對象，那麼若是是一個根裝載器找不到的類呢？接着就會交給子類（下一級父類）裝載器，若是仍是沒有找到類文件，接着就會由以前用戶指定的那個類裝載器裝載。（這裏沒有說明裝載超類的過程，請勿疏忽）。

　　若是是有人惡意的寫了一個基礎類java.lang.String，那麼會影響虛擬機嗎？不會由於這個類最終會交由根裝載器裝載，而根裝載器只會去jre核心類庫加載，最終返回的class類型並非用戶寫的String，並且系統自帶的String，也就是說用戶寫String永遠不會被加載。

　　瞭解了類裝載器是怎麼工做了以後，咱們也須要了解下class文件格式；

TheClassFileStructure
ClassFile{
u4magic; // 魔數
u2minor_version; // class次版本號
u2major_version; // class主版本號
u2constant_pool_count; // 常量池計數
cp_infoconstant_pool[constant_pool_count - 1 ]; // 常量池
u2access_flags; // 修飾符
u2this_class; // 常量池索引
u2interfaces_count;
u2interfaces[interfaces_count];
u2fields_count;
field_infofields[fields_count];
u2methods_count;
method_infomethods[methods_count];
u2attributes_count;
attribute_infoattributes[attrributes_count];
}

　　咱們須要瞭解的有不少，可是咱們難以理解的就是cp_infoconstant_pool常量池。

　　一個常量池裏面有不少表：

　　CONSTANT_Utf8 UTF-8編碼的Unicode字符串
 　　CONSTANT_Integer int類型的字面值
 　　CONSTANT_Float float類型的字面值
 　　CONSTANT_Long long類型的字面值
 　　CONSTANT_Double double類型的字面值
 　　CONSTANT_Class 對一個類或接口的符號引用
 　　CONSTANT_String String類型字面值的引用
 　　CONSTANT_Field ref對一個字段的符號引用
 　　CONSTANT_Method ref對一個類中方法的符號引用
 　　CONSTANT_InterfaceMethod ref對一個接口中方法的符號引用
 　　CONSTANT_NameAndType 對一個字段或方法的部分符號引用

　　這些表結構我也不解釋了，若是對class文件不夠了解也沒什麼關係，知道個大概也行。那麼咱們瞭解了jvm體系，類裝載器工做流程，那麼咱們細看下類裝載器工做中，jvm運行時數據區的變化，方法區裏面的結構等等。

　　在類裝載的過程當中，每個類裝載器都會在方法區裏面造成一張表，這張表記載着該裝載器和對應的類的權限定名。沒這麼一張表就造成了jvm內部的命名空間。同時在方法區裏面還該類的常量池等信息。

　　那麼說到這些，其實這個過程仍是很模糊，並且不少知識也落下了，那麼咱們如今看一個詳細一點的裝載過程。

　　當裝載一個普通的類的時候，即調用類裝載器的loadClass方法，若是但願裝載的類尚未被裝載到命名空間，那麼jvm會傳遞一個該類型的全限定名給類裝載器，也就是常量池CONSTANT_Class_info（該表存儲着父類、類裝載器等信息）入口的裝載器，來試圖裝載被引用的類型，若是發起引用的類型是被jvm裝載器定義的，那麼由jvm類裝載器裝載，不然由用戶自定義裝載器裝載，那麼一旦被引用的類型被裝載了，jvm仔細檢查它的二進制數據，若是類是是一個類，而且不是java.lang.Object。jvm根據數據獲得它的全限定名進行裝載（遞歸的應用了）這個過程還須要遞歸超接口。

　　裝載差很少講完了，一個完整的過程是：裝載鏈接——初始化。

　　那麼鏈接和初始化就一帶而過了，重點放在垃圾回收。

　　鏈接的過程主要是驗證（確認類型符合java語言的語義，而且它不會危及虛擬機的完整性）、準備（java虛擬機爲類變量分配內存，設計默認初始值）、解析（在類型的常量池中尋找類、接口、字段和方法的符合引用，把這些符號引用替換成直接引用的過程）。

　　初始化的時候，若是類存在直接超類，且超類尚未被初始化，就先初始化直接超類。初始化接口並不須要初始化它的父接口。

　　 補充：

　　Jvm當運行某個方法的時候，先把這個方法壓入java棧中，裏面包含局部變量等信息，那麼對象放入哪裏呢？壓入棧的是對象的引用，即變量，全部的對象都存儲在堆中。

　　爲何要把對象放入堆，把變量之類的數據放入棧呢？說白了，對象太大了，存入棧中運算麻煩。（固然標準的回答不是這樣的，我這裏僅僅是說明實質）

　　瞭解了這麼一個過程以後，咱們必然要了解垃圾回收機制了。

　　 基本回收算法

　　1. 引用計數：比較古老的回收算法。原理是此對象有一個引用，即增長一個計數，刪除一個引用則減小一個計數。垃圾回收時，只用收集計數爲0的對象。此算法最致命的是沒法處理循環引用的問題。

　　2. 標記-清除：此算法執行分兩階段。第一階段從引用根節點開始標記全部被引用的對象，第二階段遍歷整個堆，把未標記的對象清除。此算法須要暫停整個應用，同時，會產生內存碎片。

　　3. 複製：此算法把內存空間劃爲兩個相等的區域，每次只使用其中一個區域。垃圾回收時，遍歷當前使用區域，把正在使用中的對象複製到另一個區域中。次算法每次只處理正在使用中的對象，所以複製成本比較小，同時複製過去之後還能進行相應的內存整理，不過出現碎片問題。固然，此算法的缺點也是很明顯的，就是須要兩倍內存空間。

　　4. 標記-整理：此算法結合了標記-清除和複製兩個算法的優勢。也是分兩階段，第一階段從根節點開始標記全部被引用對象，第二階段遍歷整個堆，把清除未標記對象而且把存活對象壓縮到堆的其中一塊，按順序排放。此算法避免了標記-清除的碎片問題，同時也避免了複製算法的空間問題。

　　5. 增量收集：實施垃圾回收算法，即：在應用進行的同時進行垃圾回收。

　　6. 分代：基於對對象生命週期分析後得出的垃圾回收算法。把對象分爲年青代、年老代、持久代，對不一樣生命週期的對象使用不一樣的算法（上述方式中的一個）進行回收。如今的垃圾回收器（從J2SE1.2開始）都是使用此算法的。