JAVA虛擬機工作原理課件

淘寶技術大學應屆生培訓

JVM工作原理課程組：雷卷

小邪

九穆版本：第一版2009年淘寶技術大學應屆生培訓課程組：雷卷小邪九穆版本：第1達到的目標知道Java虛擬機的生存周期知道JVM的體系結構知道JVM體系結構中的各個部分能對JVM有個大致清晰的了解達到的目標知道Java虛擬機的生存周期2內(nèi)容JVM的生命周期JVM的體系結構JVM類加載器JVM執(zhí)行引擎JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)JVM垃圾回收問題內(nèi)容JVM的生命周期3JVM的生命周期

一、首先分析兩個概念JVM實例和JVM執(zhí)行引擎實例（1）JVM實例對應了一個獨立運行的java程序

它是進程級別（2）JVM執(zhí)行引擎實例則對應了屬于用戶運行程序的線程它是線程級別的JVM的生命周期

一、首先分析兩個概念4JVM的生命周期

二、JVM的生命周期

（1）JVM實例的誕生當啟動一個Java程序時，一個JVM實例就產(chǎn)生了，任何一個擁有publicstaticvoidmain(String[]args)函數(shù)的class都可以作為JVM實例運行的起點

（2）JVM實例的運行

main()作為該程序初始線程的起點，任何其他線程均由該線程啟動。JVM內(nèi)部有兩種線程：守護線程和非守護線程，main()屬于非守護線程，守護線程通常由JVM自己使用，java程序也可以標明自己創(chuàng)建的線程是守護線程。

（3）JVM實例的消亡當程序中的所有非守護線程都終止時，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()來退出。

JVM的生命周期

二、JVM的生命周期5內(nèi)容JVM的生命周期JVM的體系結構JVM類加載器JVM執(zhí)行引擎JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)JVM垃圾回收問題內(nèi)容JVM的生命周期6JVM的體系結構

JVM的體系結構

7JVM的體系結構一、

JVM的內(nèi)部體系結構分為三部分，（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）運行時數(shù)據(jù)區(qū)方法區(qū)，堆，java棧，PC寄存器，本地方法棧

JVM的體系結構一、JVM的內(nèi)部體系結構分為三部分，8內(nèi)容JVM的生命周期JVM的體系結構JVM類加載器JVM執(zhí)行引擎JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)JVM垃圾回收問題內(nèi)容JVM的生命周期9JVM的體系結構之類加載器一、

JVM將整個類加載過程劃分為了三個步驟：（1）裝載

裝載過程負責找到二進制字節(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，也采用以上三個元素來標識一個被加載了的類：類名+包名+ClassLoader實例ID。（2）鏈接鏈接過程負責對二進制字節(jié)碼的格式進行校驗、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。在完成了校驗后，JVM初始化類中的靜態(tài)變量，并將其值賦為默認值。最后一步為對類中的所有屬性、方法進行驗證，以確保其需要調(diào)用的屬性、方法存在，以及具備應的權限（例如public、private域權限等），會造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等錯誤信息。（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啟動過程中指定的初始化類。JVM的體系結構之類加載器一、JVM將整個類加載過程劃分為10JVM的體系結構之類加載器JVM的體系結構之類加載器11JVM的體系結構之類加載器一、JVM兩種類裝載器包括：啟動類裝載器和用戶自定義類裝載器，啟動類裝載器是JVM實現(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)BootstrapClassLoader這是JVM的根ClassLoader，它是用C++實現(xiàn)的，JVM啟動時初始化此ClassLoader，并由此ClassLoader完成$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar（SunJDK的實現(xiàn)）中所有class文件的加載，這個jar中包含了java規(guī)范定義的所有接口以及實現(xiàn)。(2)ExtensionClassLoaderJVM用此classloader來加載擴展功能的一些jar包(3)SystemClassLoaderJVM用此classloader來加載啟動參數(shù)中指定的Classpath中的jar包以及目錄，在SunJDK中ClassLoader對應的類名為AppClassLoader。(4)User-DefinedClassLoaderUser-DefinedClassLoader是Java開發(fā)人員繼承ClassLoader抽象類自行實現(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的體系結構之類加載器一、JVM兩種類裝載器包括：啟動類12JVM的體系結構之類加載器三、ClassLoader抽象類提供了幾個關鍵的方法：（1）loadClass此方法負責加載指定名字的類，ClassLoader的實現(xiàn)方法為先從已經(jīng)加載的類中尋找，如沒有則繼續(xù)從parentClassLoader中尋找，如仍然沒找到，則從SystemClassLoader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）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(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的類。(4)findSystemClass此方法負責從SystemClassLoader中尋找類，如未找到，則繼續(xù)從BootstrapClassLoader中尋找，如仍然為找到，則返回null。(5)defineClass此方法負責將二進制的字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為Class對象

(6)resolveClass此方法負責完成Class對象的鏈接，如已鏈接過，則會直接返回。

JVM的體系結構之類加載器三、ClassLoader抽象類提13JVM的體系結構之類加載器四、簡單的classLoader例子/**重寫ClassLoader類的findClass方法，將一個字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為Class類的實例*/

publicClass<?>findClass(Stringname)throwsClassNotFoundException{

byte[]b=null;

try{b=loadClassData(AutoClassLoader.FormatClassName(name));}catch(Exceptione){e.printStackTrace();

}

returndefineClass(name,b,0,b.length);

}

/**將指定路徑的.class文件轉(zhuǎn)換成字節(jié)數(shù)組*/

privatebyte[]loadClassData(Stringfilepath)throwsException{

intn=0;BufferedInputStreambr=newBufferedInputStream(newFileInputStream(newFile(filepath)));ByteArrayOutputStreambos=newByteArrayOutputStream();

while((n=br.read())!=-1){bos.write(n);

}br.close();

returnbos.toByteArray();

}JVM的體系結構之類加載器四、簡單的classLoader例14JVM的體系結構之類加載器四、簡單的classLoader例子

/**格式化文件所對應的路徑*/

publicstaticStringFormatClassName(Stringname){

FILEPATH=DEAFAULTDIR+name+".class";

returnFILEPATH;

}

/**main方法測試*/

publicstaticvoidmain(String[]args)throwsException{

AutoClassLoaderacl=newAutoClassLoader();

Classc=acl.findClass("testClass");Objectobj=c.newInstance();Methodm=c.getMethod("getName",newClass[]{String.class,int.class});m.invoke(obj,"你好",123);System.out.println(c.getName());System.out.println(c.getClassLoader());System.out.println(c.getClassLoader().getParent());

}JVM的體系結構之類加載器四、簡單的classLoader例15內(nèi)容JVM的生命周期JVM的體系結構JVM類加載器JVM執(zhí)行引擎JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)JVM垃圾回收問題內(nèi)容JVM的生命周期16JVM的體系結構之執(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)，每個線程在創(chuàng)建后，都會產(chǎn)生一個程序計數(shù)器（pc）和棧（Stack），其中程序計數(shù)器中存放了下一條將要執(zhí)行的指令，Stack中存放StackFrame，表示的為當前正在執(zhí)行的方法，每個方法的執(zhí)行都會產(chǎn)生StackFrame，StackFrame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)棧用于存放指令運算的中間結果，指令負責從操作數(shù)棧中彈出參與運算的操作數(shù)，指令執(zhí)行完畢后再將計算結果壓回到操作數(shù)棧，當方法執(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)用對象實例的方法

（3）

invokeinterface：將屬性定義為接口來進行調(diào)用

（4）

invokespecial：

JVM對于初始化對象（Java構造器的方法為：<init>）以及調(diào)用對象實例中的私有方法時。

JVM的體系結構之執(zhí)行引擎一、JVM通過執(zhí)行引擎來完成字節(jié)碼17JVM的體系結構之執(zhí)行引擎二、反射機制是Java的亮點之一，基于反射可動態(tài)調(diào)用某對象實例中對應的方法、訪問查看對象的屬性等，而無需在編寫代碼時就確定需要創(chuàng)建的對象，這使得Java可以實現(xiàn)很靈活的實現(xiàn)對象的調(diào)用，代碼示例如下：ClassactionClass=Class.forName(外部實現(xiàn)類);Methodmethod=actionClass.getMethod(“execute”,null);Objectaction=actionClass.newInstance();method.invoke(action,null);反射的關鍵：要實現(xiàn)動態(tài)的調(diào)用，最明顯的方法就是動態(tài)的生成字節(jié)碼，加載到JVM中并執(zhí)行

JVM的體系結構之執(zhí)行引擎二、反射機制是Java的亮點之一，18JVM的體系結構之執(zhí)行引擎（1）ClassactionClass=Class.forName(外部實現(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對象；（2）Methodmethod=actionClass.getMethod(“execute”,null);校驗此Class是否為public類型的，以確定類的執(zhí)行權限，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對此Class中所有的方法的集合做了緩存，在第一次時會調(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，如有則復制生成一個新的Method對象返回；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的體系結構之執(zhí)行引擎（1）ClassactionCl19JVM的體系結構之執(zhí)行引擎（3）

Objectaction=actionClass.newInstance();第一步：校驗此Class是否為public類型，如權限不足則直接拋出SecurityException；

第二步：如沒有緩存的構造器對象，則調(diào)用本地方法獲取到構造器，并復制生成一個新的構造器對象，放入緩存，如沒有空構造器則拋出InstantiationException；第三步：校驗構造器對象的權限；

第四步：執(zhí)行構造器對象的newInstance方法；構造器對象的newInstance方法判斷是否有緩存的ConstructorAccessor對象，如果沒有則調(diào)用sun.reflect.ReflectionFactory生成新的ConstructorAccessor對象；

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MethodAccessorGenerator來處理了；

第六步：MethodAccessorGenerator中的generate方法根據(jù)JavaClass格式規(guī)范生成字節(jié)碼，字節(jié)碼中包括了ConstructorAccessor對象需要的newInstance方法，此newInstance方法對應的指令為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，后面跟隨一個累計創(chuàng)建的對象的次數(shù)；第七步：在生成了字節(jié)碼后將其加載到當前的ClassLoader中，并實例化，完成ConstructorAccessor對象的創(chuàng)建過程，并將此對象放入構造器對象的緩存中；最后一步：執(zhí)行獲取的constructorAccessor.newInstance，這步和標準的方法調(diào)用沒有任何區(qū)別。

JVM的體系結構之執(zhí)行引擎（3）Objectaction20JVM的體系結構之執(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)碼時生成的方法改為了invoke，其調(diào)用的目標改為了傳入的對象的方法，同時生成的類名改為了：sun/reflect/GeneratedMethodAccessor。注：但是getMethod是非常耗性能的，一方面是權限的校驗，另外一方面所有方法的掃描以及Method對象的復制，因此在使用反射調(diào)用多的系統(tǒng)中應緩存getMethod返回的Method對象

JVM的體系結構之執(zhí)行引擎（4）method.invoke21JVM的體系結構之執(zhí)行引擎2、執(zhí)行技術主要的執(zhí)行技術有:解釋，即時編譯，自適應優(yōu)化、芯片級直接執(zhí)行

（1）解釋屬于第一代JVM，

（2）即時編譯JIT屬于第二代JVM，（3）自適應優(yōu)化（目前Sun的HotspotJVM采用這種技術）則吸取第一代JVM和第二代JVM的經(jīng)驗，采用兩者結合的方式

（4）自適應優(yōu)化：開始對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，然后對那些經(jīng)常調(diào)用的方法啟動一個后臺線程，將其編譯為本地代碼，并進行仔細優(yōu)化。若方法不再頻繁使用，則取消編譯過的代碼，仍對其進行解釋執(zhí)行。

JVM的體系結構之執(zhí)行引擎2、執(zhí)行技術22內(nèi)容JVM的生命周期JVM的體系結構JVM類加載器JVM執(zhí)行引擎JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)JVM垃圾回收問題內(nèi)容JVM的生命周期23JVM的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)一、JVM在運行時將數(shù)據(jù)劃分為了6個區(qū)域來存儲，而不僅僅是大家熟知的Heap區(qū)域，這6個區(qū)域圖示如下：

JVM的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)一、JVM在運行時將數(shù)據(jù)劃分為24JVM的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)第一塊：

PC寄存器PC寄存器是用于存儲每個線程下一步將執(zhí)行的JVM指令，如該方法為native的，則PC寄存器中不存儲任何信息。第二塊：JVM棧JVM棧是線程私有的，每個線程創(chuàng)建的同時都會創(chuàng)建JVM棧，JVM棧中存放的為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StackFrame，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）Heap是大家最為熟悉的區(qū)域，它是JVM用來存儲對象實例以及數(shù)組值的區(qū)域，可以認為Java中所有通過new創(chuàng)建的對象的內(nèi)存都在此分配，Heap中的對象的內(nèi)存需要等待GC進行回收。

JVM的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)25JVM的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)

JVM將Heap分為NewGeneration和OldGeneration（或TenuredGeneration）兩塊來進行管理：（1）NewGeneration又稱為新生代，程序中新建的對象都將分配到新生代中，新生代又由EdenSpace和兩塊SurvivorSpace構成，可通過-Xmn參數(shù)來指定其大?。?）OldGeneration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象，例如緩存的對象等，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的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)26JVM的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)對堆的解釋：（1）堆是JVM中所有線程共享的，因此在其上進行對象內(nèi)存的分配均需要進行加鎖，這也導致了new對象的開銷是比較大的（2）鑒于上面的原因，SunHotspotJVM為了提升對象內(nèi)存分配的效率，對于所創(chuàng)建的線程都會分配一塊獨立的空間，這塊空間又稱為TLAB（ThreadLocalAllocationBuffer），其大小由JVM根據(jù)運行的情況計算而得，在TLAB上分配對象時不需要加鎖，因此JVM在給線程的對象分配內(nèi)存時會盡量的在TLAB上分配，在這種情況下JVM中分配對象內(nèi)存的性能和C基本是一樣高效的，但如果對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EdenSpace，因此在編寫Java程序時，通常多個小的對象比大的對象分配起來更加高效，

但這種方法同時也帶來了兩個問題，一是空間的浪費，二是對象內(nèi)存的回收上仍然沒法做到像Stack那么高效，同時也會增加回收時的資源的消耗，可通過在啟動參數(shù)上增加-XX:+PrintTLAB來查看TLAB這塊的使用情況。

JVM的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)對堆的解釋：27JVM的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)第四塊：方法區(qū)域（MethodArea）（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，當開發(fā)人員在程序中通過Class對象中的getName、isInterface等方法來獲取信息時，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被GC，當方法區(qū)域需要使用的內(nèi)存超過其允許的大小時，會拋出OutOfMemory的錯誤信息。（2）在SunJDK中這塊區(qū)域?qū)臑镻ermanetGeneration，又稱為持久代，默認為64M，可通過-XX:PermSize以及-XX:MaxPermSize來指定其大小。第五塊：運行時常量池（RuntimeConstantPool）類似C中的符號表，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（NativeMethodStacks）JVM采用本地方法堆棧來支持native方法的執(zhí)行，此區(qū)域用于存儲每個native方法調(diào)用的狀態(tài)。

JVM的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)28內(nèi)容JVM的生命周期JVM的體系結構JVM類加載器JVM執(zhí)行引擎JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)JVM垃圾回收問題內(nèi)容JVM的生命周期29JVM的體系結構之內(nèi)存回收一、

JVM中自動的對象內(nèi)存回收機制稱為：GC（GarbageCollection）1、

GC的基本原理：

為將內(nèi)存中不再被使用的對象進行回收，GC中用于回收內(nèi)存中不被使用的對象的方法稱為收集器，由于GC需要消耗一些資源和時間的，Java在對對象的生命周期特征進行分析后，在V1.2以上的版本采用了分代的方式來進行對象的收集，即按照新生代、舊生代的方式來對對象進行收集，以盡可能的縮短GC對應用造成的暫停

（1）對新生代的對象的收集稱為minorGC，

（2）對舊生代的對象的收集稱為FullGC，

（3）程序中主動調(diào)用System.gc()強制執(zhí)行的GC為FullGC，

JVM的體系結構之內(nèi)存回收一、JVM中自動的對象內(nèi)存回收機30JVM的體系結構之內(nèi)存回收二、

JVM中自動內(nèi)存回收機制（1）引用計數(shù)收集器原理：

引用計數(shù)是標識Heap中對象狀態(tài)最明顯的一種方法，引用計數(shù)的方法簡單來說就是對每一個對象都提供一個關聯(lián)的引用計數(shù)，以此來標識該對象是否被使用，當這個計數(shù)為零時，說明這個對象已經(jīng)不再被使用了。

優(yōu)點：

引用計數(shù)的好處是可以不用暫停應用，當計數(shù)變?yōu)榱銜r，即可將此對象的內(nèi)存空間回收，但它需要給每個對象附加一個關聯(lián)引用計數(shù)

缺點：并且引用計數(shù)無法解決循環(huán)引用的問題，因此JVM并沒有采用引用計數(shù)。

JVM的體系結構之內(nèi)存回收二、JVM中自動內(nèi)存回收機制31JVM的體系結構之內(nèi)存回收（2）跟蹤收集器原理：跟蹤收集器的方法為停止應用的工作，然后開始跟蹤對象，跟蹤時從對象根開始沿著引用跟蹤，直到檢查完所有的對象。根對象的來源主要有三種：

1.被加載的類的常量池中的對象引用

2.傳到本地方法中，沒有被本地方法“釋放”的對象引用

3.虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)中從垃圾收集器的堆中分配的部分存在問題：跟蹤收集器采用的均為掃描的方法，但JVM將Heap分為了新生代和舊生代，在進行minorGC時需要掃描是否有舊生代引用了新生代中的對象，但又不可能每次minorGC都掃描整個舊生代中的對象，因此JVM采用了一種稱為卡片標記（CardMarking）的算法來避免這種現(xiàn)象。

JVM的體系結構之內(nèi)存回收（2）跟蹤收集器32JVM的體系結構之內(nèi)存回收（3）卡片標記算法卡片標記的算法為將舊生代以某個大小（例如512字節(jié)）進行劃分，劃分出來的每個區(qū)域稱為卡片，JVM采用卡表維護卡的狀態(tài)，每張卡片在卡表中占用一個字節(jié)的標識（有些JVM實現(xiàn)可能會不同），當Java代碼執(zhí)行過程中發(fā)現(xiàn)舊生代的對象引用或釋放了對于新生代對象的引用時，就相應的修改卡表中卡的狀態(tài)，每次MinorGC只需掃描卡表中標識為臟狀態(tài)的卡中的對象即可，圖示如下：

JVM的體系結構之內(nèi)存回收（3）卡片標記算法33JVM的體系結構之內(nèi)存回收

1、跟蹤收集器在掃描時最重要的是要根據(jù)這些對象是否被引用來標識其狀態(tài)2、JVM中將對象的引用分為了四種類型，不同的對象引用類型會造成GC采用不同的方法進行回收：（1）強引用：默認情況下，對象采用的均為強引用

（這個對象的實例沒有其他對象引用，GC時才會被回收）（2）軟引用：軟引用是Java中提供的一種比較適合于緩存場景的應用

（只有在內(nèi)存不夠用的情況下才會被GC）

（3）弱引用：在GC時一定會被GC回收

（4）虛引用：由于虛引用只是用來得知對象是否被GC

JVM的體系結構之內(nèi)存回收1、跟蹤收集器在掃描時最重要的是34淘寶技術大學應屆生培訓

JVM工作原理課程組：雷卷

小邪

九穆版本：第一版2009年淘寶技術大學應屆生培訓課程組：雷卷小邪九穆版本：第35達到的目標知道Java虛擬機的生存周期知道JVM的體系結構知道JVM體系結構中的各個部分能對JVM有個大致清晰的了解達到的目標知道Java虛擬機的生存周期36內(nèi)容JVM的生命周期JVM的體系結構JVM類加載器JVM執(zhí)行引擎JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)JVM垃圾回收問題內(nèi)容JVM的生命周期37JVM的生命周期

一、首先分析兩個概念JVM實例和JVM執(zhí)行引擎實例（1）JVM實例對應了一個獨立運行的java程序

它是進程級別（2）JVM執(zhí)行引擎實例則對應了屬于用戶運行程序的線程它是線程級別的JVM的生命周期

一、首先分析兩個概念38JVM的生命周期

二、JVM的生命周期

（1）JVM實例的誕生當啟動一個Java程序時，一個JVM實例就產(chǎn)生了，任何一個擁有publicstaticvoidmain(String[]args)函數(shù)的class都可以作為JVM實例運行的起點

（2）JVM實例的運行

main()作為該程序初始線程的起點，任何其他線程均由該線程啟動。JVM內(nèi)部有兩種線程：守護線程和非守護線程，main()屬于非守護線程，守護線程通常由JVM自己使用，java程序也可以標明自己創(chuàng)建的線程是守護線程。

（3）JVM實例的消亡當程序中的所有非守護線程都終止時，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()來退出。

JVM的生命周期

二、JVM的生命周期39內(nèi)容JVM的生命周期JVM的體系結構JVM類加載器JVM執(zhí)行引擎JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)JVM垃圾回收問題內(nèi)容JVM的生命周期40JVM的體系結構

JVM的體系結構

41JVM的體系結構一、

JVM的內(nèi)部體系結構分為三部分，（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）運行時數(shù)據(jù)區(qū)方法區(qū)，堆，java棧，PC寄存器，本地方法棧

JVM的體系結構一、JVM的內(nèi)部體系結構分為三部分，42內(nèi)容JVM的生命周期JVM的體系結構JVM類加載器JVM執(zhí)行引擎JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)JVM垃圾回收問題內(nèi)容JVM的生命周期43JVM的體系結構之類加載器一、

JVM將整個類加載過程劃分為了三個步驟：（1）裝載

裝載過程負責找到二進制字節(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，也采用以上三個元素來標識一個被加載了的類：類名+包名+ClassLoader實例ID。（2）鏈接鏈接過程負責對二進制字節(jié)碼的格式進行校驗、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。在完成了校驗后，JVM初始化類中的靜態(tài)變量，并將其值賦為默認值。最后一步為對類中的所有屬性、方法進行驗證，以確保其需要調(diào)用的屬性、方法存在，以及具備應的權限（例如public、private域權限等），會造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等錯誤信息。（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啟動過程中指定的初始化類。JVM的體系結構之類加載器一、JVM將整個類加載過程劃分為44JVM的體系結構之類加載器JVM的體系結構之類加載器45JVM的體系結構之類加載器一、JVM兩種類裝載器包括：啟動類裝載器和用戶自定義類裝載器，啟動類裝載器是JVM實現(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)BootstrapClassLoader這是JVM的根ClassLoader，它是用C++實現(xiàn)的，JVM啟動時初始化此ClassLoader，并由此ClassLoader完成$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar（SunJDK的實現(xiàn)）中所有class文件的加載，這個jar中包含了java規(guī)范定義的所有接口以及實現(xiàn)。(2)ExtensionClassLoaderJVM用此classloader來加載擴展功能的一些jar包(3)SystemClassLoaderJVM用此classloader來加載啟動參數(shù)中指定的Classpath中的jar包以及目錄，在SunJDK中ClassLoader對應的類名為AppClassLoader。(4)User-DefinedClassLoaderUser-DefinedClassLoader是Java開發(fā)人員繼承ClassLoader抽象類自行實現(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的體系結構之類加載器一、JVM兩種類裝載器包括：啟動類46JVM的體系結構之類加載器三、ClassLoader抽象類提供了幾個關鍵的方法：（1）loadClass此方法負責加載指定名字的類，ClassLoader的實現(xiàn)方法為先從已經(jīng)加載的類中尋找，如沒有則繼續(xù)從parentClassLoader中尋找，如仍然沒找到，則從SystemClassLoader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）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(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的類。(4)findSystemClass此方法負責從SystemClassLoader中尋找類，如未找到，則繼續(xù)從BootstrapClassLoader中尋找，如仍然為找到，則返回null。(5)defineClass此方法負責將二進制的字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為Class對象

(6)resolveClass此方法負責完成Class對象的鏈接，如已鏈接過，則會直接返回。

JVM的體系結構之類加載器三、ClassLoader抽象類提47JVM的體系結構之類加載器四、簡單的classLoader例子/**重寫ClassLoader類的findClass方法，將一個字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為Class類的實例*/

publicClass<?>findClass(Stringname)throwsClassNotFoundException{

byte[]b=null;

try{b=loadClassData(AutoClassLoader.FormatClassName(name));}catch(Exceptione){e.printStackTrace();

}

returndefineClass(name,b,0,b.length);

}

/**將指定路徑的.class文件轉(zhuǎn)換成字節(jié)數(shù)組*/

privatebyte[]loadClassData(Stringfilepath)throwsException{

intn=0;BufferedInputStreambr=newBufferedInputStream(newFileInputStream(newFile(filepath)));ByteArrayOutputStreambos=newByteArrayOutputStream();

while((n=br.read())!=-1){bos.write(n);

}br.close();

returnbos.toByteArray();

}JVM的體系結構之類加載器四、簡單的classLoader例48JVM的體系結構之類加載器四、簡單的classLoader例子

/**格式化文件所對應的路徑*/

publicstaticStringFormatClassName(Stringname){

FILEPATH=DEAFAULTDIR+name+".class";

returnFILEPATH;

}

/**main方法測試*/

publicstaticvoidmain(String[]args)throwsException{

AutoClassLoaderacl=newAutoClassLoader();

Classc=acl.findClass("testClass");Objectobj=c.newInstance();Methodm=c.getMethod("getName",newClass[]{String.class,int.class});m.invoke(obj,"你好",123);System.out.println(c.getName());System.out.println(c.getClassLoader());System.out.println(c.getClassLoader().getParent());

}JVM的體系結構之類加載器四、簡單的classLoader例49內(nèi)容JVM的生命周期JVM的體系結構JVM類加載器JVM執(zhí)行引擎JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)JVM垃圾回收問題內(nèi)容JVM的生命周期50JVM的體系結構之執(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)，每個線程在創(chuàng)建后，都會產(chǎn)生一個程序計數(shù)器（pc）和棧（Stack），其中程序計數(shù)器中存放了下一條將要執(zhí)行的指令，Stack中存放StackFrame，表示的為當前正在執(zhí)行的方法，每個方法的執(zhí)行都會產(chǎn)生StackFrame，StackFrame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)棧用于存放指令運算的中間結果，指令負責從操作數(shù)棧中彈出參與運算的操作數(shù)，指令執(zhí)行完畢后再將計算結果壓回到操作數(shù)棧，當方法執(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)用對象實例的方法

（3）

invokeinterface：將屬性定義為接口來進行調(diào)用

（4）

invokespecial：

JVM對于初始化對象（Java構造器的方法為：<init>）以及調(diào)用對象實例中的私有方法時。

JVM的體系結構之執(zhí)行引擎一、JVM通過執(zhí)行引擎來完成字節(jié)碼51JVM的體系結構之執(zhí)行引擎二、反射機制是Java的亮點之一，基于反射可動態(tài)調(diào)用某對象實例中對應的方法、訪問查看對象的屬性等，而無需在編寫代碼時就確定需要創(chuàng)建的對象，這使得Java可以實現(xiàn)很靈活的實現(xiàn)對象的調(diào)用，代碼示例如下：ClassactionClass=Class.forName(外部實現(xiàn)類);Methodmethod=actionClass.getMethod(“execute”,null);Objectaction=actionClass.newInstance();method.invoke(action,null);反射的關鍵：要實現(xiàn)動態(tài)的調(diào)用，最明顯的方法就是動態(tài)的生成字節(jié)碼，加載到JVM中并執(zhí)行

JVM的體系結構之執(zhí)行引擎二、反射機制是Java的亮點之一，52JVM的體系結構之執(zhí)行引擎（1）ClassactionClass=Class.forName(外部實現(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對象；（2）Methodmethod=actionClass.getMethod(“execute”,null);校驗此Class是否為public類型的，以確定類的執(zhí)行權限，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對此Class中所有的方法的集合做了緩存，在第一次時會調(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，如有則復制生成一個新的Method對象返回；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的體系結構之執(zhí)行引擎（1）ClassactionCl53JVM的體系結構之執(zhí)行引擎（3）

Objectaction=actionClass.newInstance();第一步：校驗此Class是否為public類型，如權限不足則直接拋出SecurityException；

第二步：如沒有緩存的構造器對象，則調(diào)用本地方法獲取到構造器，并復制生成一個新的構造器對象，放入緩存，如沒有空構造器則拋出InstantiationException；第三步：校驗構造器對象的權限；

第四步：執(zhí)行構造器對象的newInstance方法；構造器對象的newInstance方法判斷是否有緩存的ConstructorAccessor對象，如果沒有則調(diào)用sun.reflect.ReflectionFactory生成新的ConstructorAccessor對象；

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MethodAccessorGenerator來處理了；

第六步：MethodAccessorGenerator中的generate方法根據(jù)JavaClass格式規(guī)范生成字節(jié)碼，字節(jié)碼中包括了ConstructorAccessor對象需要的newInstance方法，此newInstance方法對應的指令為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，后面跟隨一個累計創(chuàng)建的對象的次數(shù)；第七步：在生成了字節(jié)碼后將其加載到當前的ClassLoader中，并實例化，完成ConstructorAccessor對象的創(chuàng)建過程，并將此對象放入構造器對象的緩存中；最后一步：執(zhí)行獲取的constructorAccessor.newInstance，這步和標準的方法調(diào)用沒有任何區(qū)別。

JVM的體系結構之執(zhí)行引擎（3）Objectaction54JVM的體系結構之執(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)碼時生成的方法改為了invoke，其調(diào)用的目標改為了傳入的對象的方法，同時生成的類名改為了：sun/reflect/GeneratedMethodAccessor。注：但是getMethod是非常耗性能的，一方面是權限的校驗，另外一方面所有方法的掃描以及Method對象的復制，因此在使用反射調(diào)用多的系統(tǒng)中應緩存getMethod返回的Method對象

JVM的體系結構之執(zhí)行引擎（4）method.invoke55JVM的體系結構之執(zhí)行引擎2、執(zhí)行技術主要的執(zhí)行技術有:解釋，即時編譯，自適應優(yōu)化、芯片級直接執(zhí)行

（1）解釋屬于第一代JVM，

（2）即時編譯JIT屬于第二代JVM，（3）自適應優(yōu)化（目前Sun的HotspotJVM采用這種技術）則吸取第一代JVM和第二代JVM的經(jīng)驗，采用兩者結合的方式

（4）自適應優(yōu)化：開始對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，然后對那些經(jīng)常調(diào)用的方法啟動一個后臺線程，將其編譯為本地代碼，并進行仔細優(yōu)化。若方法不再頻繁使用，則取消編譯過的代碼，仍對其進行解釋執(zhí)行。

JVM的體系結構之執(zhí)行引擎2、執(zhí)行技術56內(nèi)容JVM的生命周期JVM的體系結構JVM類加載器JVM執(zhí)行引擎JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)JVM垃圾回收問題內(nèi)容JVM的生命周期57JVM的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)一、JVM在運行時將數(shù)據(jù)劃分為了6個區(qū)域來存儲，而不僅僅是大家熟知的Heap區(qū)域，這6個區(qū)域圖示如下：

JVM的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)一、JVM在運行時將數(shù)據(jù)劃分為58JVM的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)第一塊：

PC寄存器PC寄存器是用于存儲每個線程下一步將執(zhí)行的JVM指令，如該方法為native的，則PC寄存器中不存儲任何信息。第二塊：JVM棧JVM棧是線程私有的，每個線程創(chuàng)建的同時都會創(chuàng)建JVM棧，JVM棧中存放的為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StackFrame，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）Heap是大家最為熟悉的區(qū)域，它是JVM用來存儲對象實例以及數(shù)組值的區(qū)域，可以認為Java中所有通過new創(chuàng)建的對象的內(nèi)存都在此分配，Heap中的對象的內(nèi)存需要等待GC進行回收。

JVM的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)59JVM的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)

JVM將Heap分為NewGeneration和OldGeneration（或TenuredGeneration）兩塊來進行管理：（1）NewGeneration又稱為新生代，程序中新建的對象都將分配到新生代中，新生代又由EdenSpace和兩塊SurvivorSpace構成，可通過-Xmn參數(shù)來指定其大?。?）OldGeneration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象，例如緩存的對象等，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的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)60JVM的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)對堆的解釋：（1）堆是JVM中所有線程共享的，因此在其上進行對象內(nèi)存的分配均需要進行加鎖，這也導致了new對象的開銷是比較大的（2）鑒于上面的原因，SunHotspotJVM為了提升對象內(nèi)存分配的效率，對于所創(chuàng)建的線程都會分配一塊獨立的空間，這塊空間又稱為TLAB（ThreadLocalAllocationBuffer），其大小由JVM根據(jù)運行的情況計算而得，在TLAB上分配對象時不需要加鎖，因此JVM在給線程的對象分配內(nèi)存時會盡量的在TLAB上分配，在這種情況下JVM中分配對象內(nèi)存的性能和C基本是一樣高效的，但如果對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EdenSpace，因此在編寫Java程序時，通常多個小的對象比大的對象分配起來更加高效，

但這種方法同時也帶來了兩個問題，一是空間的浪費，二是對象內(nèi)存的回收上仍然沒法做到像Stack那么高效，同時也會增加回收時的資源的消耗，可通過在啟動參數(shù)上增加-XX:+PrintTLAB來查看TLAB這塊的使用情況。

JVM的體系結構之運行時數(shù)據(jù)區(qū)對堆的解釋：61JVM的