JVM架构之JVM工作原理

原文地址：How JVM Works – JVM Architecture?

JVM(Java Virtual Machine)是用来运行Java应用程序的运行时引擎（run-time engine）。JVM就是调用在Java代码中的main方法。JVM是JRE（Java Run Environment）的一部分。

Java应用程序号称“一次写好，处处运行”。这就是说码农可以在一个机器上写好Java代码，不需要任何其他附加手续，就可以在其他任意的Java嵌入系统中运行。能这么搞就是因为有JVM。

当我们要编译一个a.java文件，Java编译器就会生成一个相同名字的a.class文件（包含字节码）。在我们运行这个.class文件的时候，它要经历好几个阶段。这些阶段一起描述了整个JVM。

类加载子系统

它主要负责3种活动：

• 加载
• 连接
• 初始化

加载：类加载器读取.class文件，生成相应的二进制数据并且将其保存在方法区中。对于每一个.class文件，JVM都要存储下列信息。

• 被加载的类的全名以及它的直接父类；
• 确认.class文件是否与类、接口或者枚举有关；
• 修改器、变量与方法信息等。

.class文件加载完以后，JVM在堆存储区会创建一个这个类类型的对象来表示这个文件。请注意：这个类的对象在java.lang这个包中已经提前定义好了。码农可以通过获取类级别的信息，比如类名，方法与变量信息等利用这个类的对象。我们可以用Object类的getClass()方法来获得对象的引用。

// A Java program to demonstrate working of a Class type// object created by JVM to represent .class file in// memory.import java.lang.reflect.Field;import java.lang.reflect.Method;// Java code to demonstrate use of Class object// created by JVMpublic class Test{    public static void main(String[] args)    {        Student s1 = new Student();        // Getting hold of Class object created        // by JVM.        Class c1 = s1.getClass();        // Printing type of object using c1.        System.out.println(c1.getName());        // getting all methods in an array        Method m[] = c1.getDeclaredMethods();        for (Method method : m)            System.out.println(method.getName());        // getting all fields in an array        Field f[] = c1.getDeclaredFields();        for (Field field : f)            System.out.println(field.getName());    }}// A sample class whose information is fetched above using// its Class object.class Student{    private String name;    private int roll_No;    public String getName()  {  return name;   }    public void setName(String name) { this.name = name; }    public int getRoll_no()  { return roll_No;  }    public void setRoll_no(int roll_no) {        this.roll_No = roll_no;    }}

输出：

StudentgetNamesetNamegetRoll_nosetRoll_nonameroll_No

注意：对于每一个加载的.class文件，只能创建这个类的一个对象。

Student s2 = new Student();// c2 will point to same object where // c1 is pointingClass c2 = s2.getClass();System.out.println(c1==c2); // true

连接：性能验证，准备，解析（可选的）。

• 验证：确保.class文件的正确性。例如要检查这个文件是否被有效的编译器正确地格式化并生成。如果验证失败，那么我们就会到的java.lang.VerifyError异常。
• 准备：JVM为类的变量分配内存，并用默认值初始化。
• 解析：这是一个将这个类型的直接引用替换为象征性引用的过程。通过在方法区中的查询来定位引用实体。

初始化：在这一部分，所有的静态变量都用在代码中定义的值和静态块（如果有的话）来赋值。这个执行时从上到下的，从一个类的父类，到继承这个父类的子类。一般来讲，有三种类加载器：

• Bootstrap类加载器：每个JVM的实现必须有一个Bootstrap类加载器，可以加载可信的类。它加载的是目录JAVA_HOME/jre/lib下的核心Java API。这个路径也是广为人知的Bootstrap路径，它是用像C或者C++这样的语言实现的。
• 扩展的类加载器（Extension class loader）：它是Bootstrap类加载器的孩子，它加载的是扩展路径JAVA_HOME/jre/lib/ext中的类或者是由java.ext.dirs系统属性指定的其他路径的类。它是用sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类与Java实现的。
• 系统/应用类加载器（System/Application class loader）：它是扩展类加载器的孩子，主要负责从应用类路径中加载类。它内部用到的环境变量映射到java.class.path,它也是通过sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类用Java语言实现的。

// Java code to demonstrate Class Loader subsystempublic class Test {    public static void main(String[] args) {        // String class is loaded by bootstrap loader, and        // bootstrap loader is not Java object, hence null        System.out.println(String.class.getClassLoader());        // Test class is loaded by Application loader        System.out.println(Test.class.getClassLoader());    }}   

输出：

nullsun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93

注意：JVM是遵循委派-分层原则来加载类的。系统类加载器委派加载请求到扩展类加载器，扩展类加载器再委派请求到boot-strap类加载器。如果再boot-strap路径下找到这个类，那么就加载这个类，否则这个请求再次传送到扩展类加载器，然后到系统类加载器。最后如果系统类加载器还是没有加载到类的话，那么就得到运行时异常：java.lang.ClassNotFoundException。

JVM内存

方法区：在方法区中，所有的类级别的信息，例如类名，直接父类名，方法以及变量信息等，全部都要保存，包括静态变量。在每个JVM中有且只有一个方法区，并且它是共享资源。

堆区：堆区存储所有对象的信息。在每个JVM中也只有一个堆区，它也是共享资源。

栈区：对于每一个线程，JVM都会创建一个运行时栈，并将线程保存在这里。这个栈的每一块被称为活动的记录/栈框架，这里保存方法的调用。方法的所有局部变量全部都保存在相关的框架内。当一个线程结束以后，那么JVM就会销毁运行时栈。它不是共享资源。

程序计数器寄存器（PC Registers）：保存一个线程当前执行指令的地址。很显然，每个线程都有独立的程序计数器寄存器。

本地方法栈（Native method stacks）：对于每个线程都要建立独立的方法栈，它保存的是本地方法的信息。

执行引擎

执行引擎执行的是.class（字节码）文件。它逐行读取字节码，利用在变量存储区的数据和信息表示并执行指令。它可以分为三个部分：

• 解释器：它逐行解释字节码然后执行。这里有个缺点，当一个方法被调用多次的时候，每次解释器都要执行。
• 即时编译器（Just-In-Time Compiler(JIT)）:它是用于提示解释器的效率的，它编译整个字节码并将其转换为本地代码，所以无论啥时候解释器看到重复的方法调用，JIT都提供直接的本地代码，这样就不需要再次解释了，因此效率得以提升。
• 垃圾回收：它销毁没有引用的对象。想了解更多，请参考垃圾回收。

Java本地接口（JNI）

它是一个与本地方法库进行交互的接口，并且提供本地库（C、C++）来执行。它可是使JVM调用C/C++库，也可以被已经被硬件指定的C/C++库调用。

本地方法库

它是一个执行引擎所需要的本地库（C/C++）的集合，