Java虛擬機工做原理具體解釋

1、類載入器

首先來看一下java程序的運行過程。

                         

從這個框圖很是easy大致上瞭解java程序工做原理。首先，你寫好java代碼，保存到硬盤其中。而後你在命令行中輸入

javac YourClassName.java

此時，你的java代碼就被編譯成字節碼（.class).假設你是在Eclipse IDE或者其它開發工具中，你保存代碼的時候，開發工具已經幫你完畢了上述的編譯工做，所以你可以在相應的文件夾下看到class文件。此時的class文件依舊是保存在硬盤中，所以，當你在命令行中執行

java YourClassName

就完畢了上面紅色方框中的工做。JRE的來載入器從硬盤中讀取class文件，載入到系統分配給JVM的內存區域--運行數據區（Runtime Data Areas). 而後運行引擎解釋或者編譯類文件，轉化成特定CPU的機器碼，CPU運行機器碼，至此完畢整個過程。

接下來就重點研究一下類載入器到底爲什麼物？又是怎樣工做的？

首先看一下來載入器的一些特色，有點抽象，只是總有幫助的。

》》層級結構

類載入器被組織成一種層級結構關係，也就是父子關係。當中，Bootstrap是所有類載入器的父親。例如如下圖所看到的：

        

--Bootstrap class loader：

當執行java虛擬機時，這個類載入器被建立，它載入一些主要的java API，包含Object這個類。需要注意的是，這個類載入器不是用java語言寫的，而是用C/C++寫的。

--Extension class loader:

這個載入器載入出了基本API以外的一些拓展類，包含一些與安全性能相關的類。（眼下了解得不是很是深，僅僅能籠統說，待往後再具體說明）

--System Class Loader:

它載入應用程序中的類，也就是在你的classpath中配置的類。

--User-Defined Class Loader:

這是開發者經過拓展ClassLoader類定義的本身定義載入器，載入程序猿定義的一些類。

》》委派模式（Delegation Mode）

細緻看上面的層次結構，當JVM載入一個類的時候，下層的載入器會將將任務託付給上一層類載入器，上一層載入檢查它的命名空間中是否已經載入這個類，假設已經載入，直接使用這個類。假設沒有載入，繼續往上託付直到頂部。檢查完了以後，依照相反的順序進行載入，假設Bootstrap載入器找不到這個類，則往下託付，直到找到類文件。對於某個特定的類載入器來講，一個Java類僅僅能被載入一次，也就是說在Java虛擬機中，類的完整標識是（classLoader，package，className）。一個雷可以被不一樣的類載入器載入。

舉個詳細的樣例來講明，現在增長我有一個自定義的類MyClass需要載入，假設不指定的話，通常交App（System）載入。接到任務後，System檢查本身的庫裏是否已經有這個類，發現沒有以後託付給Extension，Extension進行相同的檢查，發現仍是沒有繼續往上託付，最頂層的Boots發現本身庫裏也沒有，因而依據它的路徑（Java 核心類庫，如java.lang）嘗試去載入，沒找到這個MaClass類，因而僅僅好（人家看好你，交給你完畢，你無能爲力，僅僅好交給別人啦）往下託付給Extension，Extension到本身的路徑（JAVA_HOME/jre/lib/ext)是找，仍是沒找到，繼續往下，此時System載入器到classpath路徑尋找，找到了，因而載入到Java虛擬機。

現在若是咱們將這個類放到JAVA_HOME/jre/lib/ext這個路徑中去（至關於交給Extension載入器載入），依照相同的規則，最後由Extension載入器載入MyClass類，看到了吧，統一各種被兩次載入到JVM，但是每次都是由不一樣的ClassLoader完畢。

》》可見性限制

下層的載入器能夠看到上層載入器中的類，反之則不行，也就是是說託付僅僅能從下到上。

》》不一樣意卸載類

類載入器可以載入一個類，但是它不能卸載一個類。但是類載入器可以被刪除或者被建立。

當類載入完畢以後，JVM繼續依照下圖完畢其它工做：

框圖中各個步驟簡介例如如下：

Loading：文章前面介紹的類載入，將文件系統中的Class文件載入到JVM內存（執行數據區域）

Verifying：檢查加載的類文件是否符合Java規範和虛擬機規範。

Preparing：爲這個類分配所需要的內存，肯定這個類的屬性、方法等所需的數據結構。（Prepare a data structure that assigns the memory required by classes and indicates the fields, methods, and interfaces defined in the class.）

Resolving：將該類常量池中的符號引用都改變爲直接引用。（不是很是理解）

Initialing：初始化類的局部變量，爲靜態域賦值，同一時候運行靜態初始化塊。

那麼，Class Loader在載入類的時候，到底作了些什麼工做呢？

要了解這當中的細節，必須得先具體介紹一下執行數據區域。

2、執行數據區域

Runtime Data Areas：當執行一個JVM演示樣例時，系統將分配給它一塊內存區域（這塊內存區域的大小可以設置的），這一內存區域由JVM本身來管理。從這一塊內存中分出一塊用來存儲一些執行數據，好比建立的對象，傳遞給方法的參數，局部變量，返回值等等。分出來的這一塊就稱爲執行數據區域。執行數據區域可以劃分爲6大塊：Java棧、程序計數寄存器（PC寄存器）、本地方法棧（Native Method Stack）、Java堆、方法區域、執行常量池（Runtime Constant Pool）。執行常量池本應該屬於方法區，但是由於其重要性，JVM規範將其獨立出來講明。當中，前面3各區域（PC寄存器、Java棧、本地方法棧）是每個線程獨自擁有的，後三者則是整個JVM實例中的所有線程共同擁有的。這六大塊例如如下圖所看到的：

》PC計數器：

每一個線程都擁有一個PC計數器，當線程啓動（start）時，PC計數器被建立，這個計數器存放當前正在被運行的字節碼指令（JVM指令）的地址。

》Java棧：

相同的，Java棧也是每個線程單獨擁有，線程啓動時建立。這個棧中存放着一系列的棧幀（Stack Frame），JVM僅僅能進行壓入（Push）和彈出（Pop）棧幀這兩種操做。每當調用一個方法時，JVM就往棧裏壓入一個棧幀，方法結束返回時彈出棧幀。假設方法運行時出現異常，可以調用printStackTrace等方法來查看棧的狀況。棧的示意圖例如如下：

OK。現在咱們再來具體看看每一個棧幀中都放着什麼東西。從示意圖很是easy看出，每一個棧幀包括三個部分：本地變量數組，操做數棧，方法所屬類的常量池引用。

》局部（本地）變量數組：

局部（本地）變量數組中，從0開始按順序存放方法所屬對象的引用、傳遞給方法的參數、局部變量。舉個樣例：

public void doSomething(int a, double b, Object o) {
...
}

這種方法的棧幀中的局部變量存儲的內容各自是：

0: this
1: a
2,3:b
4:0

看細緻了，當中double類型的b需要兩個連續的索引。取值的時候，取出的是2這個索引中的值。假設是靜態方法，則數組第0個不存放this引用，而是直接存儲傳遞的參數。

》操做數棧：

操做數棧中存放方法運行時的一些中間變量，JVM在運行方法時壓入或者彈出這些變量。事實上，操做數棧是方法真正工做的地方，運行方法時，局部變量數組與操做數棧依據方法定義進行數據交換。好比，運行下面代碼時，操做數棧的狀況例如如下：

int a = 90;
int b = 10;
int c = a + b;

注意在這個圖中，操做數棧的地步是在上邊，因此先壓入的100位於上方。可以看出，操做數棧事實上是一個數據暫時存儲區，存放一些中間變量，方法結束了，操做數棧也就沒有啦。

》棧幀中數據引用：

除了局部變量數組和操做數棧以外，棧幀還需要一個常量池的引用。當JVM運行到需要常量池的數據時，就是經過這個引用來訪問常量池的。棧幀中的數據還要負責處理方法的返回和異常。假設經過return返回，則將該方法的棧幀從Java棧中彈出。假設方法有返回值，則將返回值壓入到調用該方法的方法的操做數棧中。另外，數據區中還保存中該方法可能的異常表的引用。如下的樣例用來講明：

class Example3C{
    public static void addAndPrint(){
        double result = addTwoTypes(1,88.88);
        System.out.println(result);
    }
    public static double addTwoTypes(int i, double d){
    return i+d;
    }

}

運行上述代碼時，Java棧例如如下圖所看到的：

花些時間好好研究上圖。同樣需要注意的是，棧的底部在上方，先押人員addAndPrint方法的棧幀，再壓入addTwoTypes方法的棧幀。上圖最右邊的文字說明有錯誤，應該是addTwoTypes的運行結果存放在addAndPrint的操做數棧中。

》》本地方法棧

當程序經過JNI（Java Native Interface）調用本地方法（如C或者C++代碼）時，就依據本地方法的語言類型創建對應的棧。

》》方法區域

方法區域是一個JVM實例中的所有線程共享的，當啓動一個JVM實例時，方法區域被建立。它用於存執行放常量池、有關域和方法的信息、靜態變量、類和方法的字節碼。不一樣的JVM實現方式在實現方法區域的時候會有所差異。Oracle的HotSpot稱之爲永久區域（Permanent Area）或者永久代（Permanent Generation）。

》》執行常量池

這個區域存放類和接口的常量，除此以外，它還存放方法和域的所有引用。當一個方法或者域被引用的時候，JVM就經過執行常量池中的這些引用來查找方法和域在內存中的的實際地址。

》》堆（Heap）

堆中存放的是程序建立的對象或者實例。這個區域對JVM的性能影響很是大。垃圾回收機制處理的正是這一塊內存區域。

因此，類載入器載入事實上就是依據編譯後的Class文件，將java字節碼載入JVM內存，並完畢對運行數據處於的初始化工做，供運行引擎運行。

3、 運行引擎（Execution  Engine）

類載入器將字節碼載入內存以後，運行引擎以Java 字節碼指令爲希望，讀取Java字節碼。問題是，現在的java字節碼機器是讀不懂的，所以還必須想辦法將字節碼轉化成平臺相關的機器碼。這個過程可以由解釋器來運行，也可以有即時編譯器（JIT Compiler）來完畢。