什么是JVM?淺談JRE、JDK和JVM的關(guān)系

1 什么是JVM?

JVM是Java Virtual Machine(Java虛擬機(jī))的縮寫，是通過(guò)在實(shí)際的計(jì)算機(jī)上仿真模擬各種計(jì)算機(jī)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由一套字節(jié)碼指令集、一組寄存器、一個(gè)棧、一個(gè)垃圾回收堆和一個(gè)存儲(chǔ)方法域等組成。JVM屏蔽了與操作系統(tǒng)平臺(tái)相關(guān)的信息，使得Java程序只需要生成在Java虛擬機(jī)上運(yùn)行的目標(biāo)代碼(字節(jié)碼)，就可在多種平臺(tái)上不加修改的運(yùn)行，這也是Java能夠“一次編譯，到處運(yùn)行的”原因。

2 JRE、JDK和JVM的關(guān)系

JRE(Java Runtime Environment， Java運(yùn)行環(huán)境)是Java平臺(tái)，所有的程序都要在JRE下才能夠運(yùn)行。包括JVM和Java核心類庫(kù)和支持文件。

JDK(Java Development Kit，Java開發(fā)工具包)是用來(lái)編譯、調(diào)試Java程序的開發(fā)工具包。包括Java工具(javac/java/jdb等)和Java基礎(chǔ)的類庫(kù)(java API )。

JVM(Java Virtual Machine， Java虛擬機(jī))是JRE的一部分。JVM主要工作是解釋自己的指令集(即字節(jié)碼)并映射到本地的CPU指令集和OS的系統(tǒng)調(diào)用。Java語(yǔ)言是跨平臺(tái)運(yùn)行的，不同的操作系統(tǒng)會(huì)有不同的JVM映射規(guī)則，使之與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)，完成跨平臺(tái)性。

下圖表示了JDK、JRE和JVM三者間的關(guān)系：

總結(jié)：使用JDK(調(diào)用JAVA API)開發(fā)JAVA程序后，通過(guò)JDK中的編譯程序(javac)將Java程序編譯為Java字節(jié)碼，在JRE上運(yùn)行這些字節(jié)碼，JVM會(huì)解析并映射到真實(shí)操作系統(tǒng)的CPU指令集和OS的系統(tǒng)調(diào)用。

3 JVM原理

Java 體系結(jié)構(gòu)介紹：

Class Loader(類加載器)：用于裝載.class文件。

Execution Engine(執(zhí)行引擎)：用于執(zhí)行字節(jié)碼或者本地方法。

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)：方法區(qū)、堆、java棧、pc寄存器、本地方法棧。

JVM生命周期介紹：

Java實(shí)例對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的Java程序(進(jìn)程級(jí)別)

1.啟動(dòng)。啟動(dòng)一個(gè)Java程序，一個(gè)JVM實(shí)例就產(chǎn)生。擁有public static void main(String[] args)函數(shù)的class可以作為JVM實(shí)例運(yùn)行的起點(diǎn)。

2.運(yùn)行。main()作為程序初始線程的起點(diǎn)，任何其他線程均可由該線程啟動(dòng)。JVM內(nèi)部有兩種線程：守護(hù)線程和非守護(hù)線程，main()屬于非守護(hù)線程，守護(hù)線程通常由JVM使用，程序可以指定創(chuàng)建的線程為守護(hù)線程。

3.消亡。當(dāng)程序中的所有非守護(hù)線程都終止時(shí)，JVM才退出;若安全管理器允許，程序也可以使用Runtime類或者System.exit()來(lái)退出。

JVM執(zhí)行引擎實(shí)例則對(duì)應(yīng)了屬于用戶運(yùn)行程序線程它是線程級(jí)別的。

Java類加載器：

Java加載類的過(guò)程：

1.裝載(loading)：負(fù)責(zé)找到二進(jìn)制字節(jié)碼并加載至JVM中，JVM通過(guò)類名、類所在的包名、ClassLoader完成類的加載。因此，標(biāo)識(shí)一個(gè)被加載了的類：類名 + 包名 + ClassLoader實(shí)例ID。

2.鏈接(linking)：負(fù)責(zé)對(duì)二進(jìn)制字節(jié)碼的格式進(jìn)行校驗(yàn)、初始化裝載類中的靜態(tài)變量以及解析類中調(diào)用的接口。

完成校驗(yàn)后，JVM初始化類中的靜態(tài)變量，并將其賦值為默認(rèn)值。

最后對(duì)比類中的所有屬性、方法進(jìn)行驗(yàn)證，以確保要調(diào)用的屬性、方法存在，以及具備訪問(wèn)權(quán)限(例如private、public等)，否則會(huì)造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等錯(cuò)誤信息。

3.初始化(initializing)：負(fù)責(zé)執(zhí)行類中的靜態(tài)初始化代碼、構(gòu)造器代碼以及靜態(tài)屬性的初始化，以下四種情況初始化過(guò)程會(huì)被觸發(fā)。

調(diào)用 new

反射調(diào)用了類中的方法

子類調(diào)用了初始化

JVM啟動(dòng)過(guò)程終止定的初始化類

JVM類加載順序：

層級(jí)結(jié)構(gòu)

1.Booststrap ClassLoader

跟ClassLoader，C++實(shí)現(xiàn)，JVM啟動(dòng)時(shí)初始化此ClassLoader，并由此完成$JAVA_HONE中jre/lib/rt.jar(Sun JDK的實(shí)現(xiàn))中所有class文件的加載，這個(gè)jar中包含了java規(guī)范定義的所有接口以及實(shí)現(xiàn)。

2.Extension ClassLoader

JVM用此classloader來(lái)加載擴(kuò)展功能的一些jar包

3.System ClassLoader

JVM用此ClassLoader來(lái)加載啟動(dòng)參數(shù)中指定的ClassPath中的jar包以及目錄，在Sun JDK中ClassLoader對(duì)應(yīng)的類名為AppClassLoader。

4.User-Defined ClassLoader

User-Defined ClassLoader是Java開發(fā)人員繼承ClassLoader抽象類實(shí)現(xiàn)的ClassLoader，基于自定義的ClassLoader可用于加載非ClassPath中的jar以及目錄。

委派模式(Delegation Mode)

當(dāng)JVM加載一個(gè)類的時(shí)候，下層的加載器會(huì)將任務(wù)給上一層類加載器，上一層加載檢查它的命名空間中是否已經(jīng)加載這個(gè)類，如果已經(jīng)加載，直接使用這個(gè)類。如果沒有加載，繼續(xù)往上委托直到頂部。檢查之后，按照相反的順序進(jìn)行加載。如果Bootstrap加載器不到這個(gè)類，則往下委托，直到找到這個(gè)類。一個(gè)類可以被不同的類加載器加載。

可見性限制：下層的加載器能夠看到上層加載器中的類，反之則不行，委派只能從下到上。

不允許卸載類：類加載器可以加載一個(gè)類，但不能夠卸載一個(gè)類。但是類加載器可以被創(chuàng)建或者刪除。

JVM執(zhí)行引擎

類加載器將字節(jié)碼載入內(nèi)存后，執(zhí)行引擎以java字節(jié)碼為單元，讀取java字節(jié)碼。java字節(jié)碼機(jī)器讀不懂，必須將字節(jié)碼轉(zhuǎn)化為平臺(tái)相關(guān)的機(jī)器碼。這個(gè)過(guò)程就是由執(zhí)行引擎完成的。

在執(zhí)行方法時(shí)JVM提供了四種指令來(lái)執(zhí)行：

invokestatic:調(diào)用類的static方法。

invokevirtual:調(diào)用對(duì)象實(shí)例的方法。

invokeinterface：將屬性定義為接口來(lái)進(jìn)行調(diào)用。

invokespecial：JVM對(duì)于初始化對(duì)象(Java構(gòu)造器的方法為：)以及調(diào)用對(duì)象實(shí)例的私有方法時(shí)。

主要的執(zhí)行計(jì)數(shù)：

解釋，即時(shí)執(zhí)行，自適應(yīng)優(yōu)化、芯片級(jí)直接執(zhí)行。

解釋屬于第一代JVM

即時(shí)編譯JIT屬于第二代JVM

自適應(yīng)優(yōu)化(目前sun的HotspotJVM采用這種技術(shù))，吸取第一代JVM和第二代JVM的經(jīng)驗(yàn)，采用兩者結(jié)合的方式，開始對(duì)所有的代碼都采用解釋執(zhí)行的方式，并監(jiān)視代碼執(zhí)行情況，然后對(duì)那些經(jīng)常調(diào)用的方法啟動(dòng)一個(gè)后臺(tái)線程，將其編譯為本地代碼，并進(jìn)行優(yōu)化。若方法不再頻繁使用，則取消編譯過(guò)代碼，仍對(duì)其進(jìn)行解釋執(zhí)行。

Java運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

PC寄存器

用于存儲(chǔ)每個(gè)線程下一步將要執(zhí)行的JVM指令，若該方法為native的，則PC寄存器中不存儲(chǔ)任何信息。Java多線程情況下，每個(gè)線程都有一個(gè)自己的PC，以便完成不同線程上下文環(huán)境的切換。

JVM棧

JVM棧是線程私有的，每個(gè)線程創(chuàng)建的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建JVM棧，JVM棧中存放當(dāng)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(jié)果以及Stack Frame，非基本類型的對(duì)象在JVM棧上僅存放一個(gè)指向堆的地址。

堆(Heap)

它是JVM用來(lái)存儲(chǔ)對(duì)象實(shí)例以及數(shù)組值的區(qū)域，可以認(rèn)為Java中所有通過(guò)new創(chuàng)建的對(duì)象的內(nèi)存都在此分配，Heap中的對(duì)象的內(nèi)存需要等待GC進(jìn)行回收。

堆在JVM啟動(dòng)的時(shí)候就被創(chuàng)建，堆中儲(chǔ)存了各種對(duì)象，這些對(duì)象被自動(dòng)管理內(nèi)存系統(tǒng)(Automatic Storage Management System)，也就是常說(shuō)的“Garbage Collector(垃圾回收器)”管理。這些對(duì)象無(wú)需、也無(wú)法顯示地被銷毀。

JVM將Heap分為兩塊：新生代New Generation和舊生代Old Generation

堆是JVM中所有線程共享的，因此在其上進(jìn)行對(duì)象內(nèi)存的分配均需要進(jìn)行加鎖，導(dǎo)致new對(duì)象的開銷比較大。

Sun Hotspot JVM為了提升對(duì)象內(nèi)存分配的效率，對(duì)于所有創(chuàng)建的線程都會(huì)分配一塊獨(dú)立的空間TLAB(Thread Local Allocation Buffer)，其大小由JVM根據(jù)運(yùn)行的情況計(jì)算而得，在TLAB上分配對(duì)象時(shí)不需要加鎖，因此JVM在給線程對(duì)象分配內(nèi)存時(shí)會(huì)盡量的在TLAB上分配，在這種情況下JVM中分配對(duì)象內(nèi)存的性能和C基本是一樣的，但如果對(duì)象過(guò)大的話則仍然要直接使用堆空間分配。

TLAB僅作用于新生代的Eden Space，因此在編寫Java程序時(shí)，通常多個(gè)小的對(duì)象比大的對(duì)象分配起來(lái)更加高效。

所有新創(chuàng)建的Object都將會(huì)存儲(chǔ)在新生代Young Generation中。如果Young Generation的數(shù)據(jù)在一次或多次GC后存活下來(lái)，那么將被轉(zhuǎn)移到OldGeneration。新的Object總是創(chuàng)建在Eden Space。

方法區(qū)域(Method Area)

在Sun JDK中這塊區(qū)域?qū)?yīng)的為PermanetGeneration，又稱為持久代。

方法區(qū)域存放所加載類的信息(名稱、修飾符等)、類中的靜態(tài)變量、類中定義為final類型的常量、類中的Field信息、類中的方法信息，當(dāng)開發(fā)人員在程序中通過(guò)Class對(duì)象中的getName，isInstance等方法來(lái)獲取信息時(shí)，這些數(shù)據(jù)都來(lái)源于方法區(qū)域，同時(shí)方法區(qū)域也是全局共享的，在一定條件下它也會(huì)被GC，當(dāng)方法區(qū)域需要使用的內(nèi)存超過(guò)其允許的大小時(shí)，就會(huì)拋出OutOfMemory的錯(cuò)誤信息。

運(yùn)行時(shí)常量池(Runtime Constant Pool)

存放的為類中的固定常量信息、方法和Field的引用信息等，其空間從方法區(qū)域中分配。

本地方法堆棧(Native Method Stacks)

JVM采用本地方法堆來(lái)支持native方法的執(zhí)行，此區(qū)域用于存儲(chǔ)每個(gè)native方法調(diào)用的狀態(tài)。

JVM垃圾回收

GC的基本原理：將內(nèi)存中不再被使用的對(duì)象進(jìn)行回收，GC中用于回收的方法稱為收集器，由于GC需要消耗一些資源和時(shí)間，Java在對(duì)對(duì)象生命周期特征進(jìn)行分析后，按照新生代、舊生代的方式來(lái)對(duì)對(duì)象進(jìn)行收集，以盡可能的縮短GC對(duì)應(yīng)用造成的暫停。

對(duì)新生代的對(duì)象收集稱為minor GC

對(duì)舊生代的對(duì)象收集稱為Full GC

程序中主動(dòng)調(diào)用System.gc()強(qiáng)制執(zhí)行的GC為Full GC。

不同的對(duì)象引用類型，GC會(huì)采用不同的方法進(jìn)行回收，JVM對(duì)象的引用分為了四種類型：

強(qiáng)引用：默認(rèn)情況下，對(duì)象采用的均為強(qiáng)引用(這個(gè)對(duì)象的實(shí)例沒有其他對(duì)象引用時(shí)， GC時(shí)才會(huì)被回收)

軟引用：軟引用是Java中提供的一種比較適合于緩存場(chǎng)景的應(yīng)用(只有內(nèi)存不夠的情況下才會(huì)被GC)

弱引用：在GC時(shí)一定會(huì)被GC回收。

虛引用：虛引用只是用來(lái)得知對(duì)象是否被GC。