Java查漏系列（1）——JVM

一年多的時間沒搞過java了，最近在學習hadoop，所以想把java再撿一撿，以前主要關注java的文法和api等，很少關注底層記憶體等，所以現在找時間把這塊撿撿。

JVM，全稱java virtual machine，也就是java虛擬機器，望文生義的解釋就是在電腦上面再虛擬出一個執行java程式的電腦。具體一點說，jvm可以被看成一個想象中的機器，在實際的電腦上通過軟體類比來實現，有自己想象中的硬體，如處理器、堆棧、寄存器等，還有自己相應的指令系統。JVM在它的生存周期中有一個明確的任務，那就是運行Java程式，因此當Java程式啟動的時候，就產生JVM的一個執行個體；當程式運行結束的時候，該執行個體也跟著消失了。下面分別從JVM在系統中所處的位置、JVM的體繫結構和JVM的運行過程三個方面來對JVM做一下介紹。

1.JVM在系統中的位置

首先，從宏觀上看，JVM就是運行於具體作業系統上面的一個軟體，如所示：

在整個java平台中，JVM是介於java應用程式與具體作業系統之間的一個組件，JVM在java平台中的位置如所示：

在Java平台的結構中, 可以看出，Java虛擬機器(JVM) 處在核心的位置，是程式與底層作業系統和硬體無關的關鍵。它的下方是移植介面，移植介面由兩部分組成：適配器和Java作業系統, 其中依賴於平台的部分稱為適配器；JVM 通過移植介面在具體的平台和作業系統上實現；在JVM 的上方是Java的基本類庫和擴充類庫以及它們的API， 利用Java API編寫的應用程式(application) 和小程式(Java applet) 可以在任何Java平台上運行而無需考慮底層平台,
就是因為有Java虛擬機器(JVM)實現了程式與作業系統的分離，從而實現了Java 的平台無關性。

2.JVM體繫結構

每個JVM都有兩種機制，一個是裝載具有合適名稱的類(類或是介面)，叫做Class Loader；另外的一個負責執行包含在已裝載的類或介面中的指令，叫做Execution Engine。每個JVM又包括Method Area、Heap、 Stack、PC Register和Native
Method Stack這五個部分，這幾個部分和類裝載機制與運行引擎機制一起組成的體繫結構圖為：

該圖參考了網上廣為流傳的JVM構成圖，從這個圖中可以看出，整個JVM分為以下四個部分：

1）Class Loader（類裝載器）

類載入器的作用是載入類檔案到記憶體，比如編寫一個HelloWord.java程式，然後通過javac編譯成class檔案，那怎麼才能載入到記憶體中被執行呢？Class Loader承擔的就是這個責任，並不是隨便建立一個.class檔案就能被載入的，Class Loader載入的class檔案是有格式要求的，另外，Class Loader只管載入，只要符合檔案結構就載入，至於說能不能運行，則不是它負責的，那是由ExecutionEngine負責的。

2）Execution Engine（執行引擎）

執行引擎也叫做解譯器(Interpreter)，負責解釋命令，提交作業系統執行。執行引擎處於JVM的核心位置，在Java虛擬機器規範中，它的行為是由指令集所決定的。Java指令集相當於Java程式的組合語言。Java指令集中的指令包含一個單位元組的操作符,用於指定要執行的操作,還有0個或多個運算元,提供操作所需的參數或資料。許多指令沒有運算元,僅由一個單位元組的操作符構成。

虛擬機器的內層迴圈的執行過程如下:

do{取一個操作符位元組;根據操作符的值執行一個動作;}while(程式未結束);

由於指令系統的簡單性,使得虛擬機器執行的過程十分簡單,從而有利於提高執行的效率。

3）Native Interface（本地介面）

本地介面的作用是融合不同的程式設計語言為Java所用，它的初衷是融合C/C++程式，Java誕生的時候是C/C++橫行的時候，要想立足，必須有一個聰明的、睿智的調用C/C++程式，於是就在記憶體中專門開闢了一塊地區處理標記為native的代碼，它的具體做法是Native MethodStack中登記native方法，在ExecutionEngine執行時載入nativelibraies。目前該方法使用的是越來越少了，除非是與硬體有關的應用，比如通過Java程式驅動印表機，或者Java系統管理生產裝置，在企業級應用中已經比較少見，因為現在的異構領域間的通訊很發達，比如可以使用Socket通訊，也可以使用Web
Service等等，不多做介紹。

4）Runtime Data Area（運行時資料區）

運行時資料區是整個JVM的重點，我們所有寫的程式都被載入到這裡，之後才開始運行，Java生態系統如此的繁榮，得益於該地區的優良自治。其中，Method Area和Heap是基於JVM執行個體的，即JVM的每個執行個體都有一個它自己的方法域和一個堆，運行於JVM內的所有的線程都共用這些地區，當虛擬機器裝載類檔案的時候，它解析其中的位元據所包含的類資訊，並把它們放到方法域中；當程式啟動並執行時候，JVM把程式初始化的所有對象置於堆上。PC
Register和Stack是基於線程的，即每個線程建立的時候，都會擁有自己的程式計數器和 Java棧，其中程式計數器中的值指向下一條即將被執行的指令，線程的Java棧則儲存為該線程調用Java方法的狀態。本地方法調用的狀態被儲存在NativeMethod  Stack，該方法棧依賴於具體的實現。

由於運行時資料區是整個JVM的重點，所以下一節詳細介紹。

3.JVM運行過程

java源檔案經過java編譯器編譯產生位元組碼檔案（.class），位元組碼檔案要能夠在JVM中執行，需要經過以下三個步驟：裝載、連結、初始化。下面分別對這三個步驟進行說明：

裝載：類的裝載是通過類裝載器來完成的，類裝載器需要完成的功能是定義一個java類，即把java位元組碼轉換成JVM中的java.lang.class類的對象。所有的java類在JVM中的表現形式都是java.lang.class類的對象。

連結：java類的連結指的是將java類的二進位代碼合并到JVM的運行狀態之中的過程。在連結之前，這個類必須被成功載入。類的連結包括驗證、準備和解析等幾個步驟。驗證用來確保java類的二進位表示在結構上是完全正確的，如果驗證過程出現錯誤的話，會拋出java.lang.VerifyError錯誤。準備過程是建立java類中的靜態域，並將這些域設為預設值，準備過程並不會執行代碼。在一個java類中會包含對其它類或介面的形式引用，包括它的父類、所實現的介面、方法的形式參數和傳回值的java類等，解析的過程就是確保這些被引用的類能被正確的找到，解析的過程可能會導致其它的java類被載入。

初始化：當一個java類第一次被真正使用到的時候，JVM會進行該類的初始化操作，初始化過程的主要操作是執行靜態代碼塊和初始化靜態域。在一個類被初始化之前，它的直接父類也需要被初始化。

下面通過一個例子來說明JVM的運行過程：

class HelloApp {public static int x = 10;public static void main(String[] args) {System.out.println(x);}static{x = 30;}}

其執行流程如下：

開始試圖執行類HelloApp的main方法，發現該類並沒有被裝載，也就是說虛擬機器當前不包含該類的二進位代表，於是虛擬機器使用 ClassLoader試圖尋找這樣的二進位代表。如果這個進程失敗，則拋出一個異常。類被裝載後同時在main方法被調用之前，必須對類 HelloApp與其它類型進行連結然後初始化。以上程式中，靜態域為x，靜態代碼塊部分也是給x賦值，初始化完成後，x的值為30。

下一節重點介紹一下JVM中的Runtime Data Area這一地區。

（新浪微博：@全亮_機器學習）