深入了解JVM-----Inside JVM讀書(shū)筆記
2024-07-21 02:14:10
供稿：網(wǎng)友
本文首先介紹一下java虛擬機(jī)的生存周期，然后大致介紹jvm的體系結(jié)構(gòu)，最后對(duì)體系結(jié)構(gòu)中的各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。
（ 首先這里澄清兩個(gè)概念：jvm實(shí)例和jvm執(zhí)行引擎實(shí)例，jvm實(shí)例對(duì)應(yīng)了一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的java程序，而jvm執(zhí)行引擎實(shí)例則對(duì)應(yīng)了屬于用戶(hù)運(yùn)行程序的線(xiàn)程；也就是jvm實(shí)例是進(jìn)程級(jí)別，而執(zhí)行引擎是線(xiàn)程級(jí)別的。）
一、 jvm的生命周期
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)，既然如此，那么jvm如何知道是運(yùn)行class a的main而不是運(yùn)行class b的main呢？這就需要顯式的告訴jvm類(lèi)名，也就是我們平時(shí)運(yùn)行java程序命令的由來(lái)，如java classa hello world,這里java是告訴os運(yùn)行sun java 2 sdk的java虛擬機(jī)，而classa則指出了運(yùn)行jvm所需要的類(lèi)名。
jvm實(shí)例的運(yùn)行：main（）作為該程序初始線(xiàn)程的起點(diǎn)，任何其他線(xiàn)程均由該線(xiàn)程啟動(dòng)。jvm內(nèi)部有兩種線(xiàn)程：守護(hù)線(xiàn)程和非守護(hù)線(xiàn)程，main（）屬于非守護(hù)線(xiàn)程，守護(hù)線(xiàn)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(xiàn)程是守護(hù)線(xiàn)程。
jvm實(shí)例的消亡：當(dāng)程序中的所有非守護(hù)線(xiàn)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(lèi)或者system.exit()來(lái)退出。
二、jvm的體系結(jié)構(gòu)
粗略分來(lái)，jvm的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)分為三部分，分別是：類(lèi)裝載器（classloader）子系統(tǒng)，運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，和執(zhí)行引擎。
下面將先介紹類(lèi)裝載器，然后是執(zhí)行引擎，最后是運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)
1，類(lèi)裝載器，顧名思義，就是用來(lái)裝載.class文件的。jvm的兩種類(lèi)裝載器包括：?jiǎn)?dòng)類(lèi)裝載器和用戶(hù)自定義類(lèi)裝載器，啟動(dòng)類(lèi)裝載器是jvm實(shí)現(xiàn)的一部分，用戶(hù)自定義類(lèi)裝載器則是java程序的一部分，必須是classloader類(lèi)的子類(lèi)。（下面所述情況是針對(duì)sun jdk1.2）
動(dòng)類(lèi)裝載器：只在系統(tǒng)類(lèi)(java api的類(lèi)文件)的安裝路徑查找要裝入的類(lèi)
用戶(hù)自定義類(lèi)裝載器：
系統(tǒng)類(lèi)裝載器：在jvm啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，用來(lái)在classpath目錄下查找要裝入的類(lèi)
其他用戶(hù)自定義類(lèi)裝載器：這里有必要先說(shuō)一下classloader類(lèi)的幾個(gè)方法，了解它們對(duì)于了解自定義類(lèi)裝載器如何裝載.class文件至關(guān)重要。
protected final class defineclass(string name, byte data[], int offset, int length)
protected final class defineclass(string name, byte data[], int offset, int length, protectiondomain protectiondomain);
protected final class findsystemclass(string name)
protected final void resolveclass(class c)
defineclass用來(lái)將二進(jìn)制class文件（新類(lèi)型）導(dǎo)入到方法區(qū),也就是這里指的類(lèi)是用戶(hù)自定義的類(lèi)（也就是負(fù)責(zé)裝載類(lèi)）
findsystemclass通過(guò)類(lèi)型的全限定名，先通過(guò)系統(tǒng)類(lèi)裝載器或者啟動(dòng)類(lèi)裝載器來(lái)裝載，并返回class對(duì)象。
resolveclass: 讓類(lèi)裝載器進(jìn)行連接動(dòng)作（包括驗(yàn)證，分配內(nèi)存初始化，將類(lèi)型中的符號(hào)引用解析為直接引用），這里涉及到j(luò)ava命名空間的問(wèn)題，jvm保證被一個(gè)類(lèi)裝載器裝載的類(lèi)所引用的所有類(lèi)都被這個(gè)類(lèi)裝載器裝載，同一個(gè)類(lèi)裝載器裝載的類(lèi)之間可以相互訪(fǎng)問(wèn)，但是不同類(lèi)裝載器裝載的類(lèi)看不見(jiàn)對(duì)方，從而實(shí)現(xiàn)了有效的屏蔽。
2， 執(zhí)行引擎：它或者在執(zhí)行字節(jié)碼，或者執(zhí)行本地方法
要說(shuō)執(zhí)行引擎，就不得不的指令集，每一條指令包含一個(gè)單字節(jié)的操作碼，后面跟0個(gè)或者多個(gè)操作數(shù)。（一）指令集以棧為設(shè)計(jì)中心，而非以寄存器為中心
這種指令集設(shè)計(jì)如何滿(mǎn)足java體系的要求：
平臺(tái)無(wú)關(guān)性：以棧為中心使得在只有很少register的機(jī)器上實(shí)現(xiàn)java更便利
compiler一般采用stack向連接優(yōu)化器傳遞編譯的中間結(jié)果，若指令集以stack為基礎(chǔ)，則有利于運(yùn)行時(shí)進(jìn)行的優(yōu)化工作與執(zhí)行即時(shí)編譯或者自適應(yīng)優(yōu)化的執(zhí)行引擎結(jié)合，通俗的說(shuō)就是使編譯和運(yùn)行用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，更有利于優(yōu)化的開(kāi)展。
網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性：class文件的緊湊性。
安全性：指令集中絕大部分操作碼都指明了操作的類(lèi)型。（在裝載的時(shí)候使用數(shù)據(jù)流分析期進(jìn)行一次性驗(yàn)證，而非在執(zhí)行每條指令的時(shí)候進(jìn)行驗(yàn)證，有利于提高執(zhí)行速度）。
（二）執(zhí)行技術(shù)
主要的執(zhí)行技術(shù)有:解釋?zhuān)磿r(shí)編譯，自適應(yīng)優(yōu)化、芯片級(jí)直接執(zhí)行
其中解釋屬于第一代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)）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
自適應(yīng)優(yōu)化：開(kāi)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)一個(gè)后臺(tái)線(xiàn)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(guò)的代碼，仍對(duì)其進(jìn)行解釋執(zhí)行。
3，運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)：主要包括：方法區(qū)，堆，java棧，pc寄存器，本地方法棧
（1）方法區(qū)和堆由所有線(xiàn)程共享
堆：存放所有程序在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建的對(duì)象
方法區(qū)：當(dāng)jvm的類(lèi)裝載器加載.class文件，并進(jìn)行解析，把解析的類(lèi)型信息放入方法區(qū)。
（2）java棧和pc寄存器由線(xiàn)程獨(dú)享，在新線(xiàn)程創(chuàng)建時(shí)間里
（3）本地方法棧： 存儲(chǔ)本地方法調(diào)用的狀態(tài)
上邊總體介紹了運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的主要內(nèi)容，下邊進(jìn)行詳細(xì)介紹，要介紹數(shù)據(jù)區(qū)，就不得不說(shuō)明jvm中的數(shù)據(jù)類(lèi)型。
jvm中的數(shù)據(jù)類(lèi)型：jvm中基本的數(shù)據(jù)單元是word,而word的長(zhǎng)度由jvm具體的實(shí)現(xiàn)者來(lái)決定
數(shù)據(jù)類(lèi)型包括基本類(lèi)型和引用類(lèi)型，
（1） 基本類(lèi)型包括：數(shù)值類(lèi)型(包括除boolean外的所有的java基本數(shù)據(jù)類(lèi)型)，boolean（在jvm中使用int來(lái)表示，0表示false，其他int值均表示true）和returnaddress（jvm的內(nèi)部類(lèi)型，用來(lái)實(shí)現(xiàn)finally子句）。
（2） 引用類(lèi)型包括：數(shù)組類(lèi)型，類(lèi)類(lèi)型，接口類(lèi)型
前邊講述了jvm中數(shù)據(jù)的表示，下面讓我們輸入到j(luò)vm的數(shù)據(jù)區(qū)
首先來(lái)看方法區(qū)：
上邊已經(jīng)提到，方法區(qū)主要用來(lái)存儲(chǔ)jvm從class文件中提取的類(lèi)型信息，那么類(lèi)型信息是如何存儲(chǔ)的呢？眾所周知，java使用的是大端序（big—endian:即低字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在高位內(nèi)存上，如對(duì)于1234，12是高位數(shù)據(jù)，34為低位數(shù)據(jù)，則java中的存儲(chǔ)格式應(yīng)該為12存在內(nèi)存的低地址，34存在內(nèi)存的高地址，x86中的存儲(chǔ)格式與之相反）來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這實(shí)際上是在class文件中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式，但是當(dāng)數(shù)據(jù)倒入到方法區(qū)中時(shí)，jvm可以以任何方式來(lái)存儲(chǔ)它。
類(lèi)型信息：包括class的全限定名，class的直接父類(lèi)，類(lèi)類(lèi)型還是接口類(lèi)型，類(lèi)的修飾符（public,等），所有直接父接口的列表，class對(duì)象提供了訪(fǎng)問(wèn)這些信息的窗口（可通過(guò)class.forname(“”)或instance.getclass()獲得），下面是class的方法，相信大家看了會(huì)恍然大悟，（原來(lái)如此j）
getname(), getsuperclass(), isinterface(), getinterfaces(), getclassloader();
static變量作為類(lèi)型信息的一部分保存
指向classloader類(lèi)的引用：在動(dòng)態(tài)連接時(shí)裝載該類(lèi)中引用的其他類(lèi)
指向class類(lèi)的引用：必然的，上邊已述
該類(lèi)型的常量池：包括直接常量（string，integer和float point常量）以及對(duì)其他類(lèi)型、字段和方法的符號(hào)引用（注意：這里的常量池并不是普通意義上的存儲(chǔ)常量的地方，這些符號(hào)引用可能是我們?cè)诰幊讨兴佑|到的變量），由于這些符號(hào)引用，使得常量池成為java程序動(dòng)態(tài)連接中至關(guān)重要的部分
字段信息：普通意義上的類(lèi)型中聲明的字段
方法信息：類(lèi)型中各個(gè)方法的信息
編譯期常量：指用final聲明或者用編譯時(shí)已知的值初始化的類(lèi)變量
class將所有的常量復(fù)制至其常量池或者其字節(jié)碼流中。
方法表：一個(gè)數(shù)組，包括所有它的實(shí)例可能調(diào)用的實(shí)例方法的直接引用（包括從父類(lèi)中繼承來(lái)的）
除此之外，若某個(gè)類(lèi)不是抽象和本地的，還要保存方法的字節(jié)碼，操作數(shù)棧和該方法的棧幀，異常表。
舉例：
class lava{
private int speed = 5;
void flow(){}
}
class volcano{
public static void main(string[] args){
lava lava = new lava();
lava.flow();
}
}
運(yùn)行命令java volcano;
（1） jvm找到volcano.class倒入，并提取相應(yīng)的類(lèi)型信息到方法區(qū)。通過(guò)執(zhí)行方法區(qū)中的字節(jié)碼，jvm執(zhí)行main（）方法，（執(zhí)行時(shí)會(huì)一直保存指向vocano類(lèi)的常量池的指針）
（2） main（）中第一條指令告訴jvm需為列在常量池第一項(xiàng)的類(lèi)分配內(nèi)存（此處再次說(shuō)明了常量池并非只存儲(chǔ)常量信息），然后jvm找到常量池的第一項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)是對(duì)lava類(lèi)的符號(hào)引用，則檢查方法區(qū)，看lava類(lèi)是否裝載，結(jié)果是還未裝載，則查找“lava.class”,將類(lèi)型信息寫(xiě)入方法區(qū)，并將方法區(qū)lava類(lèi)信息的指針來(lái)替換volcano原常量池中的符號(hào)引用，即用直接引用來(lái)替換符號(hào)引用。
（3） jvm看到new關(guān)鍵字，準(zhǔn)備為lava分配內(nèi)存，根據(jù)volcano的常量池的第一項(xiàng)找到lava在方法區(qū)的位置，并分析需要多少對(duì)空間，確定后，在堆上分配空間，并將speed變量初始為0，并將lava對(duì)象的引用壓到棧中
（4） 調(diào)用lava的flow（）方法
好了，大致了解了方法區(qū)的內(nèi)容后，讓我們來(lái)看看堆
java對(duì)象的堆實(shí)現(xiàn)：
java對(duì)象主要由實(shí)例變量（包括自己所屬的類(lèi)和其父類(lèi)聲明的）以及指向方法區(qū)中類(lèi)數(shù)據(jù)的指針，指向方法表的指針，對(duì)象鎖（非必需）， 等待集合（非必需），gc相關(guān)的數(shù)據(jù)（非必需）（主要視gc算法而定，如對(duì)于標(biāo)記并清除算法，需要標(biāo)記對(duì)象是否被引用，以及是否已調(diào)用finalize（）方法）。
那么為什么java對(duì)象中要有指向類(lèi)數(shù)據(jù)的指針呢？我們從幾個(gè)方面來(lái)考慮
首先：當(dāng)程序中將一個(gè)對(duì)象引用轉(zhuǎn)為另一個(gè)類(lèi)型時(shí)，如何檢查轉(zhuǎn)換是否允許？需用到類(lèi)數(shù)據(jù)
其次：動(dòng)態(tài)綁定時(shí)，并不是需要引用類(lèi)型，而是需要運(yùn)行時(shí)類(lèi)型，
這里的迷惑是：為什么類(lèi)數(shù)據(jù)中保存的是實(shí)際類(lèi)型，而非引用類(lèi)型？這個(gè)問(wèn)題先留下來(lái)，我想在后續(xù)的讀書(shū)筆記中應(yīng)該能明白
指向方法表的指針：這里和c++的vtbl是類(lèi)似的，有利于提高方法調(diào)用的效率
對(duì)象鎖：用來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)線(xiàn)程對(duì)共享數(shù)據(jù)的互斥訪(fǎng)問(wèn)
等待集合：用來(lái)讓多個(gè)線(xiàn)程為完成共同目標(biāo)而協(xié)調(diào)功過(guò)。（注意object類(lèi)中的wait(),notify(),notifyall()方法）。
java數(shù)組的堆實(shí)現(xiàn)：數(shù)組也擁有一個(gè)和他們的類(lèi)相關(guān)聯(lián)的class實(shí)例，具有相同dimension和type的數(shù)組是同一個(gè)類(lèi)的實(shí)例。數(shù)組類(lèi)名的表示：如[[ljava/lang/object 表示object[][]，[i表示int[]，[[[b表示byte[][][]
至此，堆已大致介紹完畢，下面來(lái)介紹程序計(jì)數(shù)器和java棧
程序計(jì)數(shù)器：為每個(gè)線(xiàn)程獨(dú)有，在線(xiàn)程啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，
若thread執(zhí)行java方法，則pc保存下一條執(zhí)行指令的地址。
若thread執(zhí)行native方法，則pc的值為undefined
java棧：java棧以幀為單位保存線(xiàn)程的運(yùn)行狀態(tài)，java棧只有兩種操作，幀的壓棧和出棧。
每個(gè)幀代表一個(gè)方法，java方法有兩種返回方式，return和拋出異常，兩種方式都會(huì)導(dǎo)致該方法對(duì)應(yīng)的幀出棧和釋放內(nèi)存。
幀的組成：局部變量區(qū)（包括方法參數(shù)和局部變量，對(duì)于instance方法，還要首先保存this類(lèi)型，其中方法參數(shù)按照聲明順序嚴(yán)格放置，局部變量可以任意放置），操作數(shù)棧，幀數(shù)據(jù)區(qū)（用來(lái)幫助支持常量池的解析，正常方法返回和異常處理）。
本地方法棧：依賴(lài)于本地方法的實(shí)現(xiàn)，如某個(gè)jvm實(shí)現(xiàn)的本地方法借口使用c連接模型，則本地方法棧就是c棧，可以說(shuō)某線(xiàn)程在調(diào)用本地方法時(shí)，就進(jìn)入了一個(gè)不受jvm限制的領(lǐng)域，也就是jvm可以利用本地方法來(lái)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展本身。
好！至此，jvm的大致介紹完畢，其他關(guān)于jvm的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)我將陸續(xù)補(bǔ)充，歡迎大家和我探討問(wèn)題！
