【JVM】JVM系列之JVM體系（一）

leesf發表於2016-02-21
JVM

一、前言

　　為什麼要學習瞭解Java虛擬機器

　　1.我們需要更加清楚的瞭解Java底層是如何運作的，有利於我們更深刻的學習好Java。

　　2.對我們除錯錯誤提供很寶貴的經驗。

　　3.這是合格的Java程式必須要了解的內容。

　　基於此，筆者打算出一個Java虛擬機器的系列，加深自己對知識點的理解，同時也方便各位有需要的園友。

二、Java虛擬機器的定義

　　Java虛擬機器（Java Virtual Machine），簡稱JVM。當我們說起Java虛擬機器時，可能指的是如下三種不同的東西：

　　　　1.抽象規範。

　　　　2.一個具體的實現。

　　　　3.一個執行中的虛擬機器例項。

　　Java虛擬機器抽象規範僅僅是一個概念，在《The Java Virtual Machine Specification》中有詳細的描述。該規範的實現，可能來自多個提供商，並存在於多個平臺上，它或者是全部由軟體實現，或者是以硬體和軟體相結合的方式來實現。當執行一個Java程式的時候，也就在執行一個Java虛擬機器例項。注意，我們所說的Java平臺無關性是指class檔案的平臺無關性，JVM是和平臺相關的，不同作業系統對應不同的JVM。

三、Java虛擬機器的總體框架圖

　　下圖是整個Java虛擬機器的總體框架圖，之後我們會經常涉及到。

四、Java虛擬機器的體系結構

　　下圖表示了Java虛擬機器的結構框圖，主要描述了JVM子系統和記憶體區。

　　

五、Java虛擬機器各組成部分

　　5.1 類裝載子系統

　　類裝載子系統負責查詢並裝載型別，Java虛擬機器由兩種類裝載器：啟動類裝載器（Java虛擬機器實現的一部分）和使用者自定義類裝載器（Java程式的一部分）。類裝載子系統負責定位和匯入二進位制class檔案，並且保證匯入類的正確性，為類變數分配並初始化記憶體，以及幫助解析符號引用。類裝載器必須嚴格按照如下順序進行類的裝載。

　　1） 裝載 -- 查詢並裝載型別的二進位制資料

　　2） 連線 -- 執行驗證，準備，以及解析（可選），連線分為如下三個步驟

　　　　驗證 -- 確保被匯入型別的正確性

　　　　準備 -- 為類變數分配記憶體，並將其初始化為預設值

　　　　解析 -- 把型別中的符號引用轉換為直接引用

　　3） 初始化 -- 把類變數初始化為正確初始值

　　啟動類裝載器 -- Java虛擬機器必須有一個啟動類裝載器，用於裝載受信任的類，如Java API的class檔案。

　　使用者自定義類裝載器 -- 繼承自ClassLoader類，ClassLoader的如下四個方法，是通往Java虛擬機器的通道。

　　　　1. protected final Class defineClass(String name, byte data[], int offset, int length);

　　　　2. protected final Class defineClass(String name, byte data[], int offset, int length, ProtectionDomain protectionDomain);

　　　　3. protected final Class findSystemClass(String name);

　　　　4. protected final void resolveClass(Class c);

　　這四個方法涉及到了裝載和連線兩個階段，defineClass方法data引數為二進位制Java Class檔案格式，表示一個新的可用型別，之後把這個型別匯入到方法區中。findSystemClass的引數為全限定名，通過類裝載器進行裝載。resolveClass引數為Class例項，完成連線初始化操作。

　　5.2 方法區

　　方法區是執行緒共享的記憶體區域，用於儲存已被虛擬機器載入的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器編譯後的程式碼等資料，當方法區無法滿足記憶體分配需求時，將丟擲OutOfMemoryError。

　　類資訊包括1.型別全限定名。2.型別的直接超類的全限定名（除非這個型別是java.lang.Object，它沒有超類）。3.型別是類型別還是介面型別。4.型別的訪問修飾符（public、abstract、final的某個子集）。5.任何直接超介面的全限定名的有序列表。6.型別的常量池。7.欄位資訊。8.方法資訊。9.除了常量以外的所有類（靜態）變數。10.一個到類ClassLoader的引用。11.一個到Class類的引用。

　　著重介紹常量池 -- 虛擬機器必須要為每個被裝載的型別維護一個常量池。常量池就是該型別所用常量的一個有序集合，包括直接常量和對其他型別、欄位和方法的符號引用。它在Java程式的動態連線中起著核心作用。

　　5.3 堆

　　一個虛擬機器例項只對應一個堆空間，堆是執行緒共享的。堆空間是存放物件例項的地方，幾乎所有物件例項都在這裡分配。堆也是垃圾收集器管理的主要區域。堆可以處於物理上不連續的記憶體空間中，只要邏輯上相連就行,當堆中沒有足夠的記憶體進行物件例項分配時，並且堆也無法擴充套件時，會丟擲OutOfMemoryError異常。

　　5.4 程式計數器

　　每個執行緒擁有自己的程式計數器，執行緒之間的程式計數器互不影響。PC暫存器的內容總是下一條將被執行指令的"地址"，這裡的"地址"可以是一個本地指標，也可以是在方法位元組碼中相對於該方法起始指令的偏移量。如果該執行緒正在執行一個本地方法，則程式計數器內容為undefined，此區域在Java虛擬機器規範中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。

　　5.5 Java棧

　　Java棧也是執行緒私有的，虛擬機器只會對棧進行兩種操作，以幀為單位的入棧和出棧。每個方法在執行時都會建立一個幀，併入棧，成為當前幀。棧幀由三部分組成：區域性變數區、運算元棧、幀資料區。

　　區域性變數區被組織為一個以字長為單位、從0開始計數的陣列。位元組碼指令通過從0開始的索引來使用其中的資料。型別為int、float、reference和return Address的值在陣列中只佔據一項，而型別為byte、short和char的值存入時都會轉化為int型別，也佔一項，而long、double則連續佔據兩項。

　　關於區域性變數區給出如下一個例子。

public class Example {
    public static int classMethod(int i, long l, float f, double d, Object o, byte b) {
        return 0;
    }
    
    public int instanceMethod(char c, double d, short s, boolean b) {
        return 0;
    } 
}
View Code

　　

　　可以看到類方法的首項中沒有隱含的this指標，而物件方法則會隱含this指標。並且byte,char,short,boolean型別存入區域性變數區的時候都會被轉化成int型別值，當被存回堆或者方法區時，才會轉化回原來的型別。

　　運算元棧被組織成一個以字長為單位的陣列，它是通過標準的棧操作-入棧和出棧來進行訪問，而不是通過索引訪問。入棧和出棧也會存在型別的轉化。

　　棧資料區存放一些用於支援常量池解析、正常方法返回以及異常派發機制的資訊。即將常量池的符號引用轉化為直接地址引用、恢復發起呼叫的方法的幀進行正常返回，發生異常時轉交異常表進行處理。

　　5.6 本地方法棧

　　訪問本地方式時使用到的棧，為本地方法服務，本地方法區域也會丟擲StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

　　5.7 執行引擎

　　使用者所編寫的程式如何表現正確的行為需要執行引擎的支援，執行引擎執行位元組碼指令，完成程式的功能。後面會詳細介紹。

　　5.8 本地方法介面

　　本地方法介面稱為JNI，是為可移植性準備的。

六、總結

　　至此，虛擬機器的結構就已經大體介紹完了，現在我們只需要有一個初步的瞭解，後面對各個部分會有更加詳細的介紹。謝謝各位園友觀看~

　　　　  

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