JAVA虛擬機(jī)工作原理

1、淘寶技術(shù)大學(xué)淘寶技術(shù)大學(xué) 應(yīng)屆生培訓(xùn)應(yīng)屆生培訓(xùn) JVM工作原理課程組：雷卷課程組：雷卷 小邪小邪 九穆九穆版本：第一版2009年達(dá)到的目標(biāo)n知道Java虛擬機(jī)的生存周期n知道JVM的體系結(jié)構(gòu)n知道JVM體系結(jié)構(gòu)中的各個(gè)部分n能對(duì)JVM有個(gè)大致清晰的了解內(nèi)容nJVM的生命周期nJVM的體系結(jié)構(gòu)nJVM類加載器nJVM執(zhí)行引擎nJVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)nJVM垃圾回收n問題JVM的生命周期一、首先分析兩個(gè)概念JVM實(shí)例和JVM執(zhí)行引擎實(shí)例（1）JVM實(shí)例對(duì)應(yīng)了一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的java程序 它是進(jìn)程級(jí)別（2）JVM執(zhí)行引擎實(shí)例則對(duì)應(yīng)了屬于用戶運(yùn)行程序的線程 它是線程級(jí)別的JVM的生命周期二、JVM的生命周期

2、 （1）JVM實(shí)例的誕生 當(dāng)啟動(dòng)一個(gè)Java程序時(shí)，一個(gè)JVM實(shí)例就產(chǎn)生了，任何一個(gè)擁有public static void main(String args)函數(shù)的class都可以作為JVM實(shí)例運(yùn)行的起點(diǎn) （2）JVM實(shí)例的運(yùn)行 main()作為該程序初始線程的起點(diǎn)，任何其他線程均由該線程啟動(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自己使用，java程序也可以標(biāo)明自己創(chuàng)建的線程是守護(hù)線程。 （3）JVM實(shí)例的消亡 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(

3、)來退出。內(nèi)容nJVM的生命周期nJVM的體系結(jié)構(gòu)nJVM類加載器nJVM執(zhí)行引擎nJVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)nJVM垃圾回收n問題JVM的體系結(jié)構(gòu)JVM的體系結(jié)構(gòu)一、 JVM的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)分為三部分， （1）類裝載器（ClassLoader）子系統(tǒng) 作用: 用來裝載.class文件 （2）執(zhí)行引擎 作用:執(zhí)行字節(jié)碼，或者執(zhí)行本地方法 （3）運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū) 方法區(qū)，堆，java棧，PC寄存器，本地方法棧內(nèi)容nJVM的生命周期nJVM的體系結(jié)構(gòu)nJVM類加載器nJVM執(zhí)行引擎nJVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)nJVM垃圾回收n問題JVM的體系結(jié)構(gòu)之類加載器一、 JVM將整個(gè)類加載過程劃分為了三個(gè)步驟：（1）裝載 裝載過

4、程負(fù)責(zé)找到二進(jìn)制字節(jié)碼并加載至JVM中，JVM通過類名、類所在的包名通過ClassLoader來完成類的加載，同樣，也采用以上三個(gè)元素來標(biāo)識(shí)一個(gè)被加載了的類：類名+包名+ClassLoader實(shí)例ID。（2）鏈接 鏈接過程負(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、類。 在完成了校驗(yàn)后，JVM初始化類中的靜態(tài)變量，并將其值賦為默認(rèn)值。 最后一步為對(duì)類中的所有屬性、方法進(jìn)行驗(yàn)證，以確保其需要調(diào)用的屬性、方法存在，以及具備應(yīng)的權(quán)限（例如public、private域權(quán)限等），會(huì)造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等錯(cuò)誤信息。

5、（3）初始化 初始化過程即為執(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，在四種情況下初始化過程會(huì)被觸發(fā)執(zhí)行： 調(diào)用了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)過程中指定的初始化類。JVM的體系結(jié)構(gòu)之類加載器JVM的體系結(jié)構(gòu)之類加載器一、JVM兩種類裝載器包括：啟動(dòng)類裝載器和用戶自定義類裝載器，啟動(dòng)類裝載器是JVM實(shí)現(xiàn)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。二、 主要分為以下幾類：(1) Bootstrap ClassLoader 這是JVM的根ClassLoader，它是用C+實(shí)現(xiàn)的，JVM啟動(dòng)時(shí)初始化此Clas

6、sLoader，并由此ClassLoader完成$JAVA_HOME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來加載擴(kuò)展功能的一些jar包(3) System ClassLoader JVM用此classloader來加載啟動(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 Us

7、er-DefinedClassLoader是Java開發(fā)人員繼承ClassLoader抽象類自行實(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JVM的體系結(jié)構(gòu)之類加載器三、ClassLoader抽象類提供了幾個(gè)關(guān)鍵的方法：（1）loadClass 此方法負(fù)責(zé)加載指定名字的類，ClassLoader的實(shí)現(xiàn)方法為先從已經(jīng)加載的類中尋找，如沒有則繼續(xù)從parent ClassLoader中尋找，如仍然沒找到，則從System ClassLoader中尋找，最后再調(diào)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

8、）findLoadedClass 此方法負(fù)責(zé)從當(dāng)前ClassLoader實(shí)例對(duì)象的緩存中尋找已加載的類，調(diào)用的為native的方法。（3） findClass 此方法直接拋出ClassNotFoundException，因此需要通過覆蓋loadClass或此方法來以自定義的方式加載相應(yīng)的類。 (4) findSystemClass 此方法負(fù)責(zé)從System ClassLoader中尋找類，如未找到，則繼續(xù)從Bootstrap ClassLoader中尋找，如仍然為找到，則返回null。 (5)defineClass 此方法負(fù)責(zé)將二進(jìn)制的字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為Class對(duì)象 (6) resolveClas

9、s 此方法負(fù)責(zé)完成Class對(duì)象的鏈接，如已鏈接過，則會(huì)直接返回。JVM的體系結(jié)構(gòu)之類加載器四、簡單的classLoader例子/* * 重寫ClassLoader類的findClass方法，將一個(gè)字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為 Class 類的實(shí)例 */ public Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException byte b = null; try b = loadClassData(AutoClassLoader.FormatClassName(name); catch (Exception e) e.printStackTrace

10、(); return defineClass(name, b, 0, b.length); /* * 將指定路徑的.class文件轉(zhuǎn)換成字節(jié)數(shù)組 */ private byte loadClassData(String filepath) throws Exception int n =0; BufferedInputStream br = new BufferedInputStream(new FileInputStream(new File(filepath); ByteArrayOutputStream bos= new ByteArrayOutputStream(); while(n=

11、br.read()!=-1) bos.write(n); br.close(); return bos.toByteArray(); JVM的體系結(jié)構(gòu)之類加載器四、簡單的classLoader例子 /* * 格式化文件所對(duì)應(yīng)的路徑 */ public static String FormatClassName(String name) FILEPATH= DEAFAULTDIR + name+.class; return FILEPATH; /* * main方法測試 */ public static void main(String args) throws Exception AutoCl

12、assLoader acl = new AutoClassLoader(); Class c = acl.findClass(testClass); Object obj = c.newInstance(); Method m = c.getMethod(getName,new ClassString.class ,int.class); m.invoke(obj,你好,123); System.out.println(c.getName(); System.out.println(c.getClassLoader(); System.out.println(c.getClassLoader(

13、).getParent(); 內(nèi)容nJVM的生命周期nJVM的體系結(jié)構(gòu)nJVM類加載器nJVM執(zhí)行引擎nJVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)nJVM垃圾回收n問題JVM的體系結(jié)構(gòu)之執(zhí)行引擎一、JVM通過執(zhí)行引擎來完成字節(jié)碼的執(zhí)行，在執(zhí)行過程中JVM采用的是自己的一套指令系統(tǒng)，每個(gè)線程在創(chuàng)建后，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)程序計(jì)數(shù)器（pc）和棧（Stack），其中程序計(jì)數(shù)器中存放了下一條將要執(zhí)行的指令，Stack中存放Stack Frame，表示的為當(dāng)前正在執(zhí)行的方法，每個(gè)方法的執(zhí)行都會(huì)產(chǎn)生Stack Frame，Stack Frame中存放了傳遞給方法的參數(shù)、方法內(nèi)的局部變量以及操作數(shù)棧，操作數(shù)棧用于存放指令運(yùn)算的中間結(jié)果，指

14、令負(fù)責(zé)從操作數(shù)棧中彈出參與運(yùn)算的操作數(shù)，指令執(zhí)行完畢后再將計(jì)算結(jié)果壓回到操作數(shù)棧，當(dāng)方法執(zhí)行完畢后則從Stack中彈出，繼續(xù)其他方法的執(zhí)行。 在執(zhí)行方法時(shí)JVM提供了invokestatic、invokevirtual、invokeinterface和invokespecial四種指令來執(zhí)行 （1）invokestatic：調(diào)用類的static方法 （2） invokevirtual： 調(diào)用對(duì)象實(shí)例的方法 （3） invokeinterface：將屬性定義為接口來進(jìn)行調(diào)用 （4） 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)例中的私有方法時(shí)。 J

15、VM的體系結(jié)構(gòu)之執(zhí)行引擎二、反射機(jī)制是Java的亮點(diǎn)之一，基于反射可動(dòng)態(tài)調(diào)用某對(duì)象實(shí)例中對(duì)應(yīng)的方法、訪問查看對(duì)象的屬性等，而無需在編寫代碼時(shí)就確定需要?jiǎng)?chuàng)建的對(duì)象，這使得Java可以實(shí)現(xiàn)很靈活的實(shí)現(xiàn)對(duì)象的調(diào)用，代碼示例如下：Class actionClass=Class.forName(外部實(shí)現(xiàn)類);Method method=actionClass.getMethod(“execute”,null);Object action=actionClass.newInstance();method.invoke(action,null);反射的關(guān)鍵：要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的調(diào)用，最明顯的方法就是動(dòng)態(tài)的生成字節(jié)碼

16、，加載到JVM中并執(zhí)行 JVM的體系結(jié)構(gòu)之執(zhí)行引擎（1）Class actionClass=Class.forName(外部實(shí)現(xiàn)類); 調(diào)用本地方法，使用調(diào)用者所在的ClassLoader來加載創(chuàng)建出Class對(duì)象；（2）Method method=actionClass.getMethod(“execute”,null);校驗(yàn)此Class是否為public類型的，以確定類的執(zhí)行權(quán)限，如不是public類型的，則直接拋出SecurityException；調(diào)用privateGetDeclaredMethods來獲取到此Class中所有的方法，在privateGetDeclaredMethods

17、對(duì)此Class中所有的方法的集合做了緩存，在第一次時(shí)會(huì)調(diào)用本地方法去獲??；掃描方法集合列表中是否有相同方法名以及參數(shù)類型的方法，如有則復(fù)制生成一個(gè)新的Method對(duì)象返回；如沒有則繼續(xù)掃描父類、父接口中是否有此方法，如仍然沒找到方法則拋出NoSuchMethodException；JVM的體系結(jié)構(gòu)之執(zhí)行引擎（3） Object action=actionClass.newInstance(); 第一步：校驗(yàn)此Class是否為public類型，如權(quán)限不足則直接拋出SecurityException； 第二步：如沒有緩存的構(gòu)造器對(duì)象，則調(diào)用本地方法獲取到構(gòu)造器，并復(fù)制生成一個(gè)新的構(gòu)造器對(duì)象，放入緩

18、存，如沒有空構(gòu)造器則拋出InstantiationException； 第三步：校驗(yàn)構(gòu)造器對(duì)象的權(quán)限； 第四步：執(zhí)行構(gòu)造器對(duì)象的newInstance方法；構(gòu)造器對(duì)象的newInstance方法判斷是否有緩存的ConstructorAccessor對(duì)象，如果沒有則調(diào)用sun.reflect.ReflectionFactory生成新的ConstructorAccessor對(duì)象； 第五步：sun.reflect.ReflectionFactory判斷是否需要調(diào)用本地代碼，可通過sun.reflect.noInflation=true來設(shè)置為不調(diào)用本地代碼，在不調(diào)用本地代碼的情況下，就轉(zhuǎn)交給Meth

19、odAccessorGenerator來處理了； 第六步：MethodAccessorGenerator中的generate方法根據(jù)Java Class格式規(guī)范生成字節(jié)碼，字節(jié)碼中包括了ConstructorAccessor對(duì)象需要的newInstance方法，此newInstance方法對(duì)應(yīng)的指令為invokespecial，所需的參數(shù)則從外部壓入，生成的Constructor類的名字以：sun/reflect/GeneratedSerializationConstructorAccessor或sun/reflect/GeneratedConstructorAccessor開頭，后面跟隨一個(gè)

20、累計(jì)創(chuàng)建的對(duì)象的次數(shù)； 第七步：在生成了字節(jié)碼后將其加載到當(dāng)前的ClassLoader中，并實(shí)例化，完成ConstructorAccessor對(duì)象的創(chuàng)建過程，并將此對(duì)象放入構(gòu)造器對(duì)象的緩存中； 最后一步：執(zhí)行獲取的constructorAccessor.newInstance，這步和標(biāo)準(zhǔn)的方法調(diào)用沒有任何區(qū)別。JVM的體系結(jié)構(gòu)之執(zhí)行引擎（4） method.invoke(action,null);這步執(zhí)行的過程和上一步基本類似，只是在生成字節(jié)碼時(shí)生成的方法改為了invoke，其調(diào)用的目標(biāo)改為了傳入的對(duì)象的方法，同時(shí)生成的類名改為了：sun/reflect/GeneratedMethodAcce

21、ssor。注：但是getMethod是非常耗性能的，一方面是權(quán)限的校驗(yàn)，另外一方面所有方法的掃描以及Method對(duì)象的復(fù)制，因此在使用反射調(diào)用多的系統(tǒng)中應(yīng)緩存getMethod返回的Method對(duì)象JVM的體系結(jié)構(gòu)之執(zhí)行引擎2、執(zhí)行技術(shù) 主要的執(zhí)行技術(shù)有:解釋，即時(shí)編譯，自適應(yīng)優(yōu)化、芯片級(jí)直接執(zhí)行 （1）解釋屬于第一代JVM， （2）即時(shí)編譯JIT屬于第二代JVM， （3）自適應(yīng)優(yōu)化（目前Sun的HotspotJVM采用這種技術(shù)）則吸取第一代JVM和第二代JVM的經(jīng)驗(yàn)，采用兩者結(jié)合的方式 （4）自適應(yīng)優(yōu)化：開始對(duì)所有的代碼都采取解釋執(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

22、個(gè)后臺(tái)線程，將其編譯為本地代碼，并進(jìn)行仔細(xì)優(yōu)化。若方法不再頻繁使用，則取消編譯過的代碼，仍對(duì)其進(jìn)行解釋執(zhí)行。 內(nèi)容nJVM的生命周期nJVM的體系結(jié)構(gòu)nJVM類加載器nJVM執(zhí)行引擎nJVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)nJVM垃圾回收n問題JVM的體系結(jié)構(gòu)之運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)一、JVM在運(yùn)行時(shí)將數(shù)據(jù)劃分為了6個(gè)區(qū)域來存儲(chǔ)，而不僅僅是大家熟知的Heap區(qū)域，這6個(gè)區(qū)域圖示如下： JVM的體系結(jié)構(gòu)之運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū) 第一塊： PC寄存器 PC寄存器是用于存儲(chǔ)每個(gè)線程下一步將執(zhí)行的JVM指令，如該方法為native的，則PC寄存器中不存儲(chǔ)任何信息。 第二塊：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，

23、JVM棧中存放的為當(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)指向堆上的地址 第三塊：堆（Heap） Heap是大家最為熟悉的區(qū)域，它是JVM用來存儲(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。 JVM的體系結(jié)構(gòu)之運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū) JVM將Heap分為New Generation和Old Generation（或Tenured

24、 Generation）兩塊來進(jìn)行管理：（1）New Generation 又稱為新生代，程序中新建的對(duì)象都將分配到新生代中，新生代又由Eden Space和兩塊Survivor Space構(gòu)成，可通過-Xmn參數(shù)來指定其大小（2） Old Generation 又稱為舊生代，用于存放程序中經(jīng)過幾次垃圾回收還存活的對(duì)象，例如緩存的對(duì)象等，舊生代所占用的內(nèi)存大小即為-Xmx指定的大小減去-Xmn指定的大小。 JVM的體系結(jié)構(gòu)之運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)對(duì)堆的解釋：（1）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，這也導(dǎo)致了new對(duì)象的開銷是比較大的（2）鑒于上面的原因，Sun Ho

25、tspot JVM為了提升對(duì)象內(nèi)存分配的效率，對(duì)于所創(chuàng)建的線程都會(huì)分配一塊獨(dú)立的空間，這塊空間又稱為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在給線程的對(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基本是一樣高效的，但如果對(duì)象過大的話則仍然是直接使用堆空間分配 （3）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)象分配起來更加高效， 但這種方法同時(shí)也帶來了兩個(gè)問題，一是空間的浪費(fèi)，二是對(duì)象內(nèi)存的回

26、收上仍然沒法做到像Stack那么高效，同時(shí)也會(huì)增加回收時(shí)的資源的消耗，可通過在啟動(dòng)參數(shù)上增加-XX:+PrintTLAB來查看TLAB這塊的使用情況。 JVM的體系結(jié)構(gòu)之運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū) 第四塊：方法區(qū)域（Method Area） （1）方法區(qū)域存放了所加載的類的信息（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Class對(duì)象中的getName、isInterface等方法來獲取信息時(shí)，這些數(shù)據(jù)都來源于方法區(qū)域，可見方法區(qū)域的重要性，同樣，方法區(qū)域也是全局共享的，在一定的條件下它也會(huì)被GC，當(dāng)方法區(qū)域需要使用的內(nèi)存超

27、過其允許的大小時(shí)，會(huì)拋出OutOfMemory的錯(cuò)誤信息。 （2）在Sun JDK中這塊區(qū)域?qū)?yīng)的為Permanet Generation，又稱為持久代，默認(rèn)為64M，可通過-XX:PermSize以及-XX:MaxPermSize來指定其大小。 第五塊：運(yùn)行時(shí)常量池（Runtime Constant Pool） 類似C中的符號(hào)表，存放的為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(qū)域中分配。第六塊：本地方法堆棧（Native Method Stacks） JVM采用本地方法堆棧來支持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)。 內(nèi)容nJVM的生

28、命周期nJVM的體系結(jié)構(gòu)nJVM類加載器nJVM執(zhí)行引擎nJVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)nJVM垃圾回收n問題JVM的體系結(jié)構(gòu)之內(nèi)存回收一、 JVM中自動(dòng)的對(duì)象內(nèi)存回收機(jī)制稱為：GC（Garbage Collection）1、 GC的基本原理： 為將內(nèi)存中不再被使用的對(duì)象進(jìn)行回收，GC中用于回收內(nèi)存中不被使用的對(duì)象的方法稱為收集器，由于GC需要消耗一些資源和時(shí)間的，Java在對(duì)對(duì)象的生命周期特征進(jìn)行分析后，在V 1.2以上的版本采用了分代的方式來進(jìn)行對(duì)象的收集，即按照新生代、舊生代的方式來對(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 （1）對(duì)新生代的對(duì)象的收集稱為minor GC， （2）對(duì)舊生代的對(duì)象的收集稱為Full GC， （3）程序中主動(dòng)調(diào)用System.gc()強(qiáng)制執(zhí)行的GC為Full GC， JVM的體系結(jié)構(gòu)之內(nèi)存回收二、 JVM中自動(dòng)內(nèi)存回收機(jī)制（1）引用計(jì)數(shù)收集器 原理： 引用計(jì)數(shù)是標(biāo)識(shí)Hea