Jvm工做原理學習筆記（轉）

1、         JVM的生命週期

1.       JVM實例對應了一個獨立運行的java程序它是進程級別

a)     啓動。啓動一個Java程序時，一個JVM實例就產生了，任何一個擁有public static void main(String[] args)函數的class均可以做爲JVM實例運行的起點

b)     運行。main()做爲該程序初始線程的起點，任何其餘線程均由該線程啓動。JVM內部有兩種線程：守護線程和非守護線程，main()屬於非守護線程，守護線程一般由JVM本身使用，java程序也能夠標明本身建立的線程是守護線程

c)     消亡。當程序中的全部非守護線程都終止時，JVM才退出；若安全管理器容許，程序也可使用Runtime類或者System.exit()來退出

2.       JVM執行引擎實例則對應了屬於用戶運行程序的線程它是線程級別的

 

2、         JVM的體系結構

 

1.       類裝載器（ClassLoader）（用來裝載.class文件）

2.       執行引擎（執行字節碼，或者執行本地方法）

3.       運行時數據區（方法區、堆、java棧、PC寄存器、本地方法棧）

 

3、         JVM類加載器

JVM整個類加載過程的步驟：

1.       裝載

裝載過程負責找到二進制字節碼並加載至JVM中，JVM經過類名、類所在的包名經過ClassLoader來完成類的加載，一樣，也採用以上三個元素來標識一個被加載了的類：類名+

包名+ClassLoader實例ID。

2.       連接

連接過程負責對二進制字節碼的格式進行校驗、初始化裝載類中的靜態變量以及解析類中調用的接口、類。

完成校驗後，JVM初始化類中的靜態變量，並將其值賦爲默認值。

最後對類中的全部屬性、方法進行驗證，以確保其須要調用的屬性、方法存在，以及具有應的權限（例如public、private域權限等），會形成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等錯誤信息。

3.       初始化

初始化過程即爲執行類中的靜態初始化代碼、構造器代碼以及靜態屬性的初始化，在四種狀況下初始化過程會被觸發執行：

調用了new；

反射調用了類中的方法；

子類調用了初始化；

JVM啓動過程當中指定的初始化類。

 

JVM類加載順序：

JVM兩種類裝載器包括：啓動類裝載器和用戶自定義類裝載器。

啓動類裝載器是JVM實現的一部分；

用戶自定義類裝載器則是Java程序的一部分，必須是ClassLoader類的子類。

JVM裝載順序：

                Jvm啓動時，由Bootstrap向User-Defined方向加載類；

                應用進行ClassLoader時，由User-Defined向Bootstrap方向查找並加載類；

1.       Bootstrap ClassLoader

這是JVM的根ClassLoader，它是用C++實現的，JVM啓動時初始化此ClassLoader，並由此ClassLoader完成$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar（Sun JDK的實現）中全部class文件的加載，這個jar中包含了java規範定義的全部接口以及實現。

2.       Extension ClassLoader

JVM用此classloader來加載擴展功能的一些jar包。

3.       System ClassLoader

JVM用此classloader來加載啓動參數中指定的Classpath中的jar包以及目錄，在Sun JDK中ClassLoader對應的類名爲AppClassLoader。

4.       User-Defined ClassLoader

User-DefinedClassLoader是Java開發人員繼承ClassLoader抽象類自行實現的ClassLoader，基於自定義的ClassLoader可用於加載非Classpath中的jar以及目錄。

 

ClassLoader抽象類的幾個關鍵方法：

（1）       loadClass

此方法負責加載指定名字的類，ClassLoader的實現方法爲先從已經加載的類中尋找，如沒有則繼續從parent ClassLoader中尋找，如仍然沒找到，則從System ClassLoader中尋找，最後再調用findClass方法來尋找，如要改變類的加載順序，則可覆蓋此方法

（2）       findLoadedClass

此方法負責從當前ClassLoader實例對象的緩存中尋找已加載的類，調用的爲native的方法。

（3）       findClass

此方法直接拋出ClassNotFoundException，所以須要經過覆蓋loadClass或此方法來以自定義的方式加載相應的類。

（4）       findSystemClass

此方法負責從System ClassLoader中尋找類，如未找到，則繼續從Bootstrap ClassLoader中尋找，如仍然爲找到，則返回null。

（5）       defineClass

此方法負責將二進制的字節碼轉換爲Class對象

（6）       resolveClass

此方法負責完成Class對象的連接，如已連接過，則會直接返回。

 

4、         JVM執行引擎

在執行方法時JVM提供了四種指令來執行：

（1）invokestatic：調用類的static方法

（2）invokevirtual：調用對象實例的方法

（3）invokeinterface：將屬性定義爲接口來進行調用

（4）invokespecial：JVM對於初始化對象（Java構造器的方法爲：<init>）以及調用對象實例中的私有方法時。

 

主要的執行技術有:

解釋，即時編譯，自適應優化、芯片級直接執行

（1）解釋屬於第一代JVM，

（2）即時編譯JIT屬於第二代JVM，

（3）自適應優化（目前Sun的HotspotJVM採用這種技術）則吸收第一代JVM和第二代

JVM的經驗，採用二者結合的方式

開始對全部的代碼都採起解釋執行的方式，並監視代碼執行狀況，而後對那些常常調用的方法啓動一個後臺線程，將其編譯爲本地代碼，並進行優化。若方法再也不頻繁使用，則取消編譯過的代碼，仍對其進行解釋執行。

 

5、         JVM運行時數據區

第一塊：PC寄存器

PC寄存器是用於存儲每一個線程下一步將執行的JVM指令，如該方法爲native的，則PC寄存器中不存儲任何信息。

第二塊：JVM棧

JVM棧是線程私有的，每一個線程建立的同時都會建立JVM棧，JVM棧中存放的爲當前線程中局部基本類型的變量（java中定義的八種基本類型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double）、部分的返回結果以及Stack Frame，非基本類型的對象在JVM棧上僅存放一個指向堆上的地址

第三塊：堆（Heap）

它是JVM用來存儲對象實例以及數組值的區域，能夠認爲Java中全部經過new建立的對象的內存都在此分配，Heap中的對象的內存須要等待GC進行回收。

（1）       堆是JVM中全部線程共享的，所以在其上進行對象內存的分配均須要進行加鎖，這也致使了new對象的開銷是比較大的

（2）       Sun Hotspot JVM爲了提高對象內存分配的效率，對於所建立的線程都會分配一塊獨立的空間TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根據運行的狀況計算而得，在TLAB上分配對象時不須要加鎖，所以JVM在給線程的對象分配內存時會盡可能的在TLAB上分配，在這種狀況下JVM中分配對象內存的性能和C基本是同樣高效的，但若是對象過大的話則仍然是直接使用堆空間分配

（3）       TLAB僅做用於新生代的Eden Space，所以在編寫Java程序時，一般多個小的對象比大的對象分配起來更加高效。

第四塊：方法區域（Method Area）

（1）在Sun JDK中這塊區域對應的爲PermanetGeneration，又稱爲持久代。

（2）方法區域存放了所加載的類的信息（名稱、修飾符等）、類中的靜態變量、類中定義爲final類型的常量、類中的Field信息、類中的方法信息，當開發人員在程序中經過Class

對象中的getName、isInterface等方法來獲取信息時，這些數據都來源於方法區域，同時方法區域也是全局共享的，在必定的條件下它也會被GC，當方法區域須要使用的內存超過其容許的大小時，會拋出OutOfMemory的錯誤信息。

第五塊：運行時常量池（Runtime Constant Pool）

存放的爲類中的固定的常量信息、方法和Field的引用信息等，其空間從方法區域中分配。

第六塊：本地方法堆棧（Native Method Stacks）

JVM採用本地方法堆棧來支持native方法的執行，此區域用於存儲每一個native方法調用的狀態。

 

6、         JVM垃圾回收

GC的基本原理：將內存中再也不被使用的對象進行回收，GC中用於回收的方法稱爲收集器，因爲GC須要消耗一些資源和時間，Java在對對象的生命週期特徵進行分析後，按照新生代、舊生代的方式來對對象進行收集，以儘量的縮短GC對應用形成的暫停

（1）對新生代的對象的收集稱爲minor GC；

（2）對舊生代的對象的收集稱爲Full GC；

（3）程序中主動調用System.gc()強制執行的GC爲Full GC。

不一樣的對象引用類型， GC會採用不一樣的方法進行回收，JVM對象的引用分爲了四種類型：

（1）強引用：默認狀況下，對象採用的均爲強引用（這個對象的實例沒有其餘對象引用，GC時纔會被回收）

（2）軟引用：軟引用是Java中提供的一種比較適合於緩存場景的應用（只有在內存不夠用的狀況下才會被GC）

（3）弱引用：在GC時必定會被GC回收

（4）虛引用：因爲虛引用只是用來得知對象是否被GC