【java】走進JVM，淺水也能摸魚

這不是一篇描述jvm是什麼的文章，也不介紹jvm跨平台的特性，也不是講述jvm安全特性的文章，更不是講解jvm指令操作，資料運算的文章，本文重點講述類型的生命週期。

類型的生命週期涉及到：類的裝載、jvm體繫結構、記憶體回收機制。

為什麼要講jvm體繫結構？因為類的裝載和記憶體回收機制都和jvm體繫結構息息相關。

那麼什麼是jvm體繫結構呢？

當jvm運行起來的時候，它會向系統申請一片記憶體區（不同的jvm實現可能不同，有些可以使用虛擬記憶體），將這塊記憶體分出一部分儲存許多東西，例如：程式建立的對象，傳遞給方法的參數，傳回值，局部變數等等，我們將這塊記憶體稱之為運行時資料區，運行時資料區可以劃分成方法區、堆、java棧、pc寄存器、本地方法棧。看到上面這幅圖，和這些解說你可能大概的明白jvm體系是個啥樣子，但是你或許還不瞭解運行時資料區裡面方法區等用來幹嘛的。

方法區：當虛擬機器裝載一個class檔案的時候，它會從這個class檔案包含的位元據中解析類型資訊，然後將這些類型資訊放到方法區中。因為方法區是被所有線程共用的，所以必須考慮資料的安全執行緒。假如兩個線程都在試圖找lava的類，在lava類還沒有被載入的情況下，只應該有一個線程去載入，而另一個線程等待。

PC寄存器：每個新線程產生都將得到自己的pc寄存器以及一個java棧幀。

堆：存放程式運行時產生的所有對象。堆是一個線程共用的記憶體區，所以我們寫多線程程式的時候需要考慮並發。

Java棧：java棧由許多棧幀組成的，，當一個線程調用java方法時，虛擬機器壓入一個新的棧幀到java棧中，當方法返回的時候，這個棧幀被從java棧彈出並被拋棄。

那麼現在你應該可以想象到一些jvm是怎麼工作的了，是不是應該接著講具體工作原理了呢？。但是不急，先瞭解下類的裝載機制。

瞭解類的裝載機制之前先瞭解jvm裡面的類裝載器：BootstrapLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader；ExtClassLoader（負責裝載jre下面的rt.jar,charsets.jar）和AppClassLoader(負責轉載classpath下面的類包)是ClassLoader（抽象類別）的子類；

BootstrapLoader（負責裝載jre核心類庫）是根裝載器，是c/c++寫的，在java裡面看不到它。

這三個類裝載器存在父子關係，根裝載器是ExtClassLoader父裝載器，ExtClassLoader是AppClassLoader父裝載器；

Jvm中類的裝載也是安全機制沙箱模型的第一道門檻。Java裝載類使用雙親委派模式即全盤負責委託機制。好現在讓我們瞭解裝載大概流程。

當裝載一個類的時候，若是由使用者指定一個類裝載器裝載的話，那麼那個類裝載器會先委派給父類裝載器，一直委派到根裝載器，如果裝載的是一個java.lang.String，由於它是核心類庫的而且已經被裝載過了，那麼就會直接返回一個class對象，那麼如果是一個根裝載器找不到的類呢？接著就會交給子類（下一級父類）裝載器，如果還是沒有找到類檔案，接著就會由之前使用者指定的那個類裝載器裝載。（這裡沒有說明裝載超類的過程，請勿疏忽）。

如果是有人惡意的寫了一個基礎類java.lang.String，那麼會影響虛擬機器嗎？不會因為這個類最終會交由根裝載器裝載，而根裝載器只會去jre核心類庫載入，最終返回的class類型並不是使用者寫的String，而且系統內建的String，也就是說使用者寫String永遠不會被載入。

瞭解了類裝載器是怎麼工作了之後，我們也需要瞭解下class檔案格式；

 

TheClassFileStructureClassFile{u4magic;//魔數u2minor_version;//class次版本號碼u2major_version;//class主要版本號u2constant_pool_count;//常量池計數cp_infoconstant_pool[constant_pool_count-1];//常量池u2access_flags;//修飾符u2this_class;//常量池索引u2interfaces_count;u2interfaces[interfaces_count];u2fields_count;field_infofields[fields_count];u2methods_count;method_infomethods[methods_count];u2attributes_count;attribute_infoattributes[attrributes_count];}

 

我們需要瞭解的有很多，但是我們難以理解的就是cp_infoconstant_pool常量池。

一個常量池裡面有很多表：

CONSTANT_Utf8 UTF-8編碼的Unicode字串

CONSTANT_Integer int類型的字面值

CONSTANT_Float float類型的字面值

CONSTANT_Long long類型的字面值

CONSTANT_Double double類型的字面值

CONSTANT_Class 對一個類或介面的符號引用

CONSTANT_String String類型字面值的引用

CONSTANT_Field ref對一個欄位的符號引用

CONSTANT_Method ref對一個類中方法的符號引用

CONSTANT_InterfaceMethod ref對一個介面中方法的符號引用

CONSTANT_NameAndType 對一個欄位或方法的部分符號引用

這些表結構我也不解釋了，如果對class檔案不夠瞭解也沒什麼關係，知道個大概也行。那麼我們瞭解了jvm體系，類裝載器工作流程，那麼我們細看下類裝載器工作中，jvm運行時資料區的變化，方法區裡面的結構等等。

在類裝載的過程中，每一個類裝載器都會在方法區裡面形成一張表，這張表記載著該裝載器和對應的類的許可權定名。沒這麼一張表就形成了jvm內部的命名空間。同時在方法區裡面還該類的常量池等資訊。

那麼說到這些，其實這個過程還是很模糊，而且很多知識也落下了，那麼我們現在看一個詳細一點的裝載過程。

當裝載一個普通的類的時候，即調用類裝載器的loadClass方法，如果希望裝載的類還沒有被裝載到命名空間，那麼jvm會傳遞一個該類型的全限定名給類裝載器，也就是常量池CONSTANT_Class_info（該表格儲存體著父類、類裝載器等資訊）入口的裝載器，來試圖裝載被引用的類型，如果發起引用的類型是被jvm裝載器定義的，那麼由jvm類裝載器裝載，否則由使用者自訂裝載器裝載，那麼一旦被引用的類型被裝載了，jvm仔細檢查它的位元據，如果類是是一個類，並且不是java.lang.Object。jvm根據資料得到它的全限定名進行裝載（遞迴的應用了）這個過程還需要遞迴超介面。

裝載差不多講完了，一個完整的過程是：裝載串連——初始化。

那麼串連和初始化就一帶而過了，重點放在記憶體回收。

串連的過程主要是驗證（確認類型符合java語言的語義，並且它不會危及虛擬機器的完整性）、準備（java虛擬機器為類變數分配記憶體，設計預設初始值）、解析（在類型的常量池中尋找類、介面、欄位和方法的符合引用，把這些符號引用替換成直接引用的過程）。

初始化的時候，如果類存在直接超類，且超類還沒有被初始化，就先初始化直接超類。初始化介面並不需要初始化它的父介面。

補充：

Jvm當運行某個方法的時候，先把這個方法壓入java棧中，裡麵包含局部變數等資訊，那麼對象放入哪裡呢？壓入棧的是對象的引用，即變數，所有的對象都儲存在堆中。

為什麼要把對象放入堆，把變數之類的資料放入棧呢？說白了，對象太大了，存入棧中運算麻煩。（當然標準的回答不是這樣的，我這裡僅僅是說明實質）

瞭解了這麼一個過程之後，我們必然要瞭解記憶體回收機制了。

基本回收演算法

1. 引用計數：比較古老的回收演算法。原理是此對象有一個引用，即增加一個計數，刪除一個引用則減少一個計數。記憶體回收時，只用收集計數為0的對象。此演算法最致命的是無法處理循環參考的問題。

2. 標記-清除：此演算法執行分兩階段。第一階段從引用根節點開始標記所有被引用的對象，第二階段遍曆整個堆，把未標記的對象清除。此演算法需要暫停整個應用，同時，會產生記憶體片段。

3. 複製：此演算法把記憶體空間劃為兩個相等的地區，每次只使用其中一個地區。記憶體回收時，遍曆當前使用地區，把正在使用中的對象複製到另外一個地區中。次演算法每次只處理正在使用中的對象，因此複製成本比較小，同時複製過去以後還能進行相應的記憶體整理，不過出現片段問題。當然，此演算法的缺點也是很明顯的，就是需要兩倍記憶體空間。

4. 標記-整理：此演算法結合了標記-清除和複製兩個演算法的優點。也是分兩階段，第一階段從根節點開始標記所有被引用對象，第二階段遍曆整個堆，把清除未標記對象並且把存活對象壓縮到堆的其中一塊，按順序排放。此演算法避免了標記-清除的片段問題，同時也避免了複製演算法的空間問題。

5. 增量收集：實施記憶體回收演算法，即：在應用進行的同時進行記憶體回收。

6. 分代：基於對對象生命週期分析後得出的記憶體回收演算法。把對象分為年青代、年老代、持久代，對不同生命週期的對象使用不同的演算法（上述方式中的一個）進行回收。現在的記憶體回收行程（從J2SE1.2開始）都是使用此演算法的。