JAVA之所以跨平臺，是因為有JVM這么一個編譯和運行機器，它令對于系統(tǒng)的操作對于用戶而言是黑盒的，使得開發(fā)人員更快速和更注重軟件功能的實現(xiàn)。然而，也因為jvm是黑盒，所以內(nèi)部和底層具有不確定性，如果用狀態(tài)機來表示jvm，那么jvm就是一種現(xiàn)役復(fù)制不確定的狀態(tài)機，因為它的狀態(tài)和表現(xiàn)跟系統(tǒng)、底層、硬件等等都有關(guān)系，從而狀態(tài)是不確定，如果在分布式應(yīng)用中，jvm一直以來兼容性都不是很好，這就是主要原因。盡管如此，就單一的系統(tǒng)而言，弄清楚jvm運行的來龍去脈，對于系統(tǒng)的運行至關(guān)重要。

理解jvm的運行原理具有以下幾點充分作用：

1、針對系統(tǒng)進行內(nèi)存和垃圾回收監(jiān)控

2、解決因內(nèi)存溢出和泄露的問題

3、對系統(tǒng)進行優(yōu)化

4、提升jvm和系統(tǒng)性能

jvm的運行原理有主要有三方面，其實這也是jvm的主要工作：

1、內(nèi)存管理

2、執(zhí)行流程

3、垃圾回收

在開始之前，有一些知識需要知道，廣義來講，jvm并不是指sun的hotspot，而是一個規(guī)范，因此不同廠商會根據(jù)規(guī)范實現(xiàn)不同的jvm，因此這些jvm的表現(xiàn)都不是一致甚至相差甚遠(yuǎn)。在jvm規(guī)范中，通常我們所能接觸的就是命令行參數(shù)了。

命令行參數(shù)

命令行參數(shù)分為三種，標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)準(zhǔn)、非穩(wěn)定

標(biāo)準(zhǔn)命令行參數(shù)會在jvm規(guī)范中明確列出，強制實現(xiàn)的選項，并且具有版本控制廢棄的管理通知。非標(biāo)準(zhǔn)的命令行參數(shù)不是規(guī)范強制并且可能沒有對應(yīng)的通知，非穩(wěn)定參數(shù)是特定調(diào)校的選項，同時也是非標(biāo)準(zhǔn)的。標(biāo)準(zhǔn)的選項可通過help命令查看，非標(biāo)準(zhǔn)的選項通過-X為前綴訪問，非穩(wěn)定的前綴是-XX，通常對于布爾類型的選項，用+或-來設(shè)置true或者false，如-XX:+UseTLAB開啟線程內(nèi)存緩沖分配。

內(nèi)存劃分

jvm是具有內(nèi)存自動分配和管理的架構(gòu)，而內(nèi)存管理自動化是解放勞動力的重要工具，可以對比C/C++，開發(fā)人員不需要管理內(nèi)存，開發(fā)效率會比較高。

在jvm中，使用的內(nèi)存分為兩類，線程共享內(nèi)存和線程私有內(nèi)存。

結(jié)合我們平時的代碼可以看出，線程共享的內(nèi)容包括方法、實例對象、常量，分別對應(yīng)共享內(nèi)存中的方法區(qū)、堆區(qū)、常量池。

堆區(qū)

堆區(qū)通常是共享內(nèi)存中最大的一塊，因此它也是GC重點關(guān)注區(qū)域。堆區(qū)可能是連續(xù)的也可能是不連續(xù)的，以及堆區(qū)的大小都會對GC造成相應(yīng)的影響。-Xms和-Xmx設(shè)置堆的最小和最大值，如果堆內(nèi)存大小超過最大值，則拋出OutOfMemoryError異常。

方法區(qū)

方法區(qū)存儲的是方法、類的結(jié)構(gòu)信息，而常量池也包含在內(nèi)，除了我們代碼中所看到的靜態(tài)常量，這些常量還包括一些字節(jié)碼內(nèi)容和類初始化所需的特殊內(nèi)容。通常情況下，jvm不會對方法區(qū)GC直到方法區(qū)大小不夠，即使GC也只是針對常量池和類型，所以也被稱為永久區(qū)Permanent Generation，除了可以設(shè)置大小以外，還可以設(shè)置是否進行GC，如果超過大小，拋出OutOfMemoryError異常。

常量池

這里說的常量池是運行時的，通常是字節(jié)碼中的類的版本、描述，以及常量池表，這個表是一種符號表，在運行的時候?qū)⑦@些符號的引用變?yōu)橹苯臃?。由此可以看出，加載類會使用常量池和方法區(qū)，如果類過多或常量過多，也會拋出OutOfMemoryError異常。

線程私有內(nèi)存區(qū)

線程私有內(nèi)存是被某一獨立線程獨占的，包括PC寄存器、java棧、本地方法棧

PC寄存器

這個寄存器是jvm內(nèi)部的，而非物理寄存器，因此也可以看出，jvm的指令執(zhí)行是基于棧架構(gòu)的，所有的操作都是經(jīng)過入棧出棧完成，為了確保線程安全，它被設(shè)定為線程私有的。通常，棧中存儲字節(jié)碼指令地址，如果調(diào)用的是本地方法，即native方法，則是空值。會不會拋出OutOfMemoryError異常，jvm目前沒有明確規(guī)定。

java棧

java棧的顆粒度比PC寄存器大，存儲方法的局部變量、操作計數(shù)、方法返回\方法出口等信息。局部變量除了我們代碼所接觸的類型，還包括一種叫做returnAddress返回地址類型，也是一種jvm規(guī)范的原始類型，但是開發(fā)人員并不能使用，實際上這種類型標(biāo)識一條字節(jié)碼指令的操作嗎。java棧也會OutOfMemoryError異常，不過他也是可以動態(tài)擴展的。

本地方法棧

用于支持本地方法調(diào)用時使用，但是jvm沒有強制實現(xiàn)，和java棧類似。

執(zhí)行流程

我們的代碼在IDE中或者通過CMD來執(zhí)行即可看到執(zhí)行結(jié)果，而實際上每次執(zhí)行都會啟動和關(guān)閉jvm，這個過程是相當(dāng)復(fù)雜的，下面羅列一下主要步驟。

對于sun的hotspot，launcher負(fù)責(zé)維護jvm的生命周期，包括啟動和結(jié)束關(guān)閉。就是我們在java目錄下看到的java.exe和javaw.exe，一個有控制臺輸出，另一個沒有，用于執(zhí)行GUI程序。

jvm的啟動初始化

1、解析命令行參數(shù)，設(shè)置內(nèi)存大小和JIT編譯器，并且加載系統(tǒng)環(huán)境變量。

2、查找主類，并且調(diào)用本地方法JNI_CreateJavaVM創(chuàng)建jvm主線程。

3、當(dāng)jvm初始化完成，就會加載主類，如果加載成功，則調(diào)用本地方法傳入?yún)?shù)，然后開始執(zhí)行java的程序了。

其中調(diào)用本地方法JNI_CreateJavaVM創(chuàng)建jvm主線程，是jvm的啟動過程，實際上啟動器并非直接調(diào)用該本地方法，而是先用main()函數(shù)創(chuàng)建主線程，然后通過主線程調(diào)用javamain()函數(shù)調(diào)用該JNI_CreateJavaVM方法創(chuàng)建子線程來完成初始化并執(zhí)行java程序。因為創(chuàng)建的主線程是操作系統(tǒng)分配的初始線程，為了更好的定制線程，通過在該線程上創(chuàng)建再初始線程來初始化jvm。

進一步細(xì)化JNI_CreateJavaVM函數(shù)的執(zhí)行內(nèi)容，主要流程如下：

1、檢查是否線程安全，也就是是否只有一個線程調(diào)用此方法，一個線程只能創(chuàng)建一個jvm實例。

2、初始化各個模塊，如日志、計數(shù)器、內(nèi)存頁等。

3、加載核心庫并初始化線程庫

4、初始化全局?jǐn)?shù)據(jù)，這步完成后就可以創(chuàng)建java子線程了

5、初始化類加載器、解析器、編譯器、GC等模塊。其中重要一點就是初始化universe類型，這種類型是java種一切類型的類型，是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所有java的存儲對象都用該類型類存儲。

6、加載并初始化基礎(chǔ)類庫，如Lang、System、reflect等包。

7、返回給調(diào)用者。

通過上面的步驟，可以發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)類庫是在初始化階段完成加載的，這跟開發(fā)人員編寫的類庫加載順序是不同的。

jvm的關(guān)閉

當(dāng)java程序結(jié)束，jvm會先檢查有無未處理的異常以及清理這些異常，然后調(diào)用本地方法斷開主線程跟本地方法接口的連接，如果可以斷開，說明已經(jīng)沒有線程在運行了，則可以安全的關(guān)閉jvm。

和JNI_CreateJavaVM方法對應(yīng)的是DestroyJavaVM方法，當(dāng)jvm在啟動和運行時發(fā)生錯誤，根據(jù)嚴(yán)重程度會調(diào)用該方法關(guān)閉jvm，而在理想狀態(tài)下，即正常運行直到退出，也是調(diào)用DestroyJavaVM方法關(guān)閉并銷毀jvm。停止jvm按照以下主要步驟進行：

1、守護線程一致等待，直到只有一個非守護線程執(zhí)行。

2、停止監(jiān)控、計數(shù)器等線程。

3、移除當(dāng)前線程，釋放保護頁。

4、釋放所有資源，返回到調(diào)用者。

我們可以看出，當(dāng)需要關(guān)閉jvm時，如果jvm中仍有線程在運行，是無法強制關(guān)閉的，這就是為什么我們很多代碼的運行出現(xiàn)異常后，重復(fù)的調(diào)試導(dǎo)致有多個后臺jvm在運行卻不能自動結(jié)束而要手動關(guān)閉。

類加載機制

在前面說到，開發(fā)人員使用的類和基礎(chǔ)類庫并非同一時間加載的，這是有原因的。類的加載由類加載器來完成，包括加載、連接、初始化三個階段。完成加載后就可以通過new來創(chuàng)建類的實例對象了。類的加載可以理解為根據(jù)類的字節(jié)碼文件全路徑名讀取后轉(zhuǎn)換為與目標(biāo)類型一致的Class類型，并且是可以動態(tài)加載的。

加載類由類加載器完成，加載器分為兩種，一種是Bootstrap Classloader引導(dǎo)加載器，另一種是User-defined Classloader用戶自定義加載器，用戶自定義加載器默認(rèn)又分為ExtClassloader和AppClassloader。

引導(dǎo)加載器是C++編寫的，負(fù)責(zé)完成lib目錄里的類加載，也就是前面所說的基礎(chǔ)類庫，而ExtClassloader和AppClassloader是java編寫的，分別負(fù)責(zé)加載lib/ext目錄和ClassPath系統(tǒng)路徑中的類型。他們都是Classloader的子類，我們也可以通過繼承父類來實現(xiàn)自己的類加載器。

父類委托模式

通過查閱類關(guān)系樹可以發(fā)現(xiàn)，AppClassloader是ExtClassloader的子類，而ExtClassloader則是Classloader的子類，java規(guī)范要求自定義的類加載器都派生與父類，并且在進行類加載的時候，都要委托給直接上級父類執(zhí)行加載，這就是父類委托模式（parents delegation model），國內(nèi)很多翻譯為雙親委托模式，但是你會發(fā)現(xiàn)是多親模式，所以我認(rèn)為父類委托更為合適。

父類委托模式在執(zhí)行時，子類始終會委托父類加載，一級一級的向上請求，知道最后唯一的超類來進行加載，如果父類無法加載，再一級一級的退回到子類進行加載，這樣就不會重復(fù)加載相同的類了。

為什么要使用父類委托模式？因為類的加載必須是一次性不可重復(fù)的，試想一下，如果基礎(chǔ)類庫中的類可以重復(fù)加另一個類來替換原來的類，那是多么嚴(yán)重的安全隱患，為了避免這一點，基礎(chǔ)類庫都是由C++編寫的啟動加載器來加載，但是為了兼顧擴展性，所以除了基礎(chǔ)類庫，其他的類都可以通過用戶加載器來加載，那么為了避免但不強制要求避免重復(fù)加載的情況發(fā)生，java規(guī)范就采取并建議我們按照父類委托的方式實現(xiàn)類加載器。

類的加載過程

前面說到，類先經(jīng)過類加載器將字節(jié)碼文件轉(zhuǎn)換為Class對象，但是這個時候并不能使用它，此時的類結(jié)構(gòu)信息存儲在方法區(qū)內(nèi)，還需要對其進行驗證，結(jié)構(gòu)信息是否有效合法，一旦通過驗證，就會為類中的靜態(tài)變量分配內(nèi)存空間并初始化值，這些準(zhǔn)備工作完成后，還需將類結(jié)構(gòu)中的符號和常量表的符號進行解析轉(zhuǎn)為直接引用，這時候的類才具有執(zhí)行能力。最后的工作就是初始化了，也就是我們代碼中在new一個對象之前會執(zhí)行的static代碼塊。

垃圾回收機制

jvm的垃圾回收包括內(nèi)存動態(tài)分配和內(nèi)存回收兩大塊。內(nèi)存的分配和垃圾回收是息息相關(guān)的，內(nèi)存分配的方式一定程度上決定采取何種垃圾收集器和收集算法。

前面說到，堆內(nèi)存可以是連續(xù)也可以是不連續(xù)的，也是GC的重點區(qū)域，但正由于這種分布的不確定性，該GC帶來很大麻煩。首先針對連續(xù)的情況。

指針碰撞

通過前面講述的jvm啟動過程，我們知道創(chuàng)建對象就需要在堆內(nèi)存中劃分出一部分來存儲對象，如果此時的內(nèi)存是規(guī)整的，那么將空閑的和已使用的各放置一邊，兩部分的邊界處用一個指針標(biāo)記，當(dāng)新增對象內(nèi)存分配，就將指針偏移相應(yīng)的位置，下一次分配內(nèi)存只需要知道最后指針偏移的位置開始分配內(nèi)存并更新指針偏移量即可，這種方式就是指針碰撞（bump the pointer）。

空閑列表

然而，需要面臨的一個問題首先不是規(guī)整問題，而是線程安全，如果對指針的操作加鎖，必然會降低性能。并且如果堆不是連續(xù)的，指針碰撞就變得很棘手，此時還有一種解決辦法，就是通過一張表記錄下所有空閑的內(nèi)存，每當(dāng)分配內(nèi)存就更新表上的記錄，這種方式就是空閑列表（free list）。

不管呢種方式，都必須解決線程安全，對于指針碰撞，為了滿足規(guī)整的先決條件，這就要求GC收集器具有壓縮規(guī)整功能，如serial、par等收集器，而采用mark-sweep的cms這種收集器則不支持規(guī)整，因為他就是通過空閑列表方式來整理的內(nèi)存的。分配內(nèi)存就需要對內(nèi)存指針進行操作，如何確保指針的使用是線程安全的？一種做法是用過CAS原子操作來實現(xiàn)，也就是所謂的失敗重試保證更新原子性。還有一種做法就是TLAB（本地線程緩沖），即在堆內(nèi)存中事先劃分一塊線程獨占的私有內(nèi)存，這樣線程就可以互不干涉的創(chuàng)建對象了，如果TLAB不夠用，再已加鎖的方式分配TLAB，并且對象的初始化還可以提前進行。

分代劃分收集機制

目前大部分的GC都是采用分代收集算法的，換而言之，也就是內(nèi)存是分代劃分的。這當(dāng)中的設(shè)計有很多復(fù)雜和嚴(yán)格的要求，首先對算法絕對精確，不能造成誤刪和誤讀，還要保證沒用的對象及時回收，以及如何處理產(chǎn)生的碎片和系統(tǒng)停頓開銷等。涉及的指標(biāo)和算法，就在另一篇中單獨闡述了。

待續(xù)......

到此這篇關(guān)于關(guān)于JVM工作原理簡述的文章就介紹到這了,更多相關(guān)JVM工作原理簡述內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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