【JVM】JVM系列之JVM体系(一)

一、前言

  为什么要学习了解Java虚拟机

1.我们需要更加清楚的了解Java底层是如何运作的,有利于我们更深刻的学习好Java。

2.对我们调试错误提供很宝贵的经验。

3.这是合格的Java程序必须要了解的内容。

基于此,笔者打算出一个Java虚拟机的系列,加深自己对知识点的理解,同时也方便各位有需要的园友。

二、Java虚拟机的定义

Java虚拟机(Java Virtual Machine),简称JVM。当我们说起Java虚拟机时,可能指的是如下三种不同的东西:

1.抽象规范。

2.一个具体的实现。

3.一个运行中的虚拟机实例。

Java虚拟机抽象规范仅仅是一个概念,在《The Java Virtual Machine Specification》中有详细的描述。该规范的实现,可能来自多个提供商,并存在于多个平台上,它或者是全部由软件实现,或者是以硬件和软件相结合的方式来实现。当运行一个Java程序的时候,也就在运行一个Java虚拟机实例。注意,我们所说的Java平台无关性是指class文件的平台无关性,JVM是和平台相关的,不同操作系统对应不同的JVM。

三、Java虚拟机的总体框架图

下图是整个Java虚拟机的总体框架图,之后我们会经常涉及到。

四、Java虚拟机的体系结构

下图表示了Java虚拟机的结构框图,主要描述了JVM子系统和内存区。

五、Java虚拟机各组成部分

5.1 类装载子系统

类装载子系统负责查找并装载类型,Java虚拟机由两种类装载器:启动类装载器(Java虚拟机实现的一部分)和用户自定义类装载器(Java程序的一部分)。类装载子系统负责定位和导入二进制class文件,并且保证导入类的正确性,为类变量分配并初始化内存,以及帮助解析符号引用。类装载器必须严格按照如下顺序进行类的装载。

1) 装载 — 查找并装载类型的二进制数据

2) 连接 — 执行验证,准备,以及解析(可选),连接分为如下三个步骤

验证 — 确保被导入类型的正确性

准备 — 为类变量分配内存,并将其初始化为默认值

解析 — 把类型中的符号引用转换为直接引用

3) 初始化 — 把类变量初始化为正确初始值

启动类装载器 — Java虚拟机必须有一个启动类装载器,用于装载受信任的类,如Java API的class文件。

用户自定义类装载器 — 继承自ClassLoader类,ClassLoader的如下四个方法,是通往Java虚拟机的通道。

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);

这四个方法涉及到了装载和连接两个阶段,defineClass方法data参数为二进制Java Class文件格式,表示一个新的可用类型,之后把这个类型导入到方法区中。findSystemClass的参数为全限定名,通过类装载器进行装载。resolveClass参数为Class实例,完成连接初始化操作。

5.2 方法区

方法区是线程共享的内存区域,用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据,当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError。

类信息包括1.类型全限定名。2.类型的直接超类的全限定名(除非这个类型是java.lang.Object,它没有超类)。3.类型是类类型还是接口类型。4.类型的访问修饰符(public、abstract、final的某个子集)。5.任何直接超接口的全限定名的有序列表。6.类型的常量池。7.字段信息。8.方法信息。9.除了常量以外的所有类(静态)变量。10.一个到类ClassLoader的引用。11.一个到Class类的引用。

着重介绍常量池 — 虚拟机必须要为每个被装载的类型维护一个常量池。常量池就是该类型所用常量的一个有序集合,包括直接常量和对其他类型、字段和方法的符号引用。它在Java程序的动态连接中起着核心作用。

5.3 堆

一个虚拟机实例只对应一个堆空间,堆是线程共享的。堆空间是存放对象实例的地方,几乎所有对象实例都在这里分配。堆也是垃圾收集器管理的主要区域。堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上相连就行,当堆中没有足够的内存进行对象实例分配时,并且堆也无法扩展时,会抛出OutOfMemoryError异常。

5.4 程序计数器

每个线程拥有自己的程序计数器,线程之间的程序计数器互不影响。PC寄存器的内容总是下一条将被执行指令的”地址”,这里的”地址”可以是一个本地指针,也可以是在方法字节码中相对于该方法起始指令的偏移量。如果该线程正在执行一个本地方法,则程序计数器内容为undefined,此区域在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

5.5 Java栈

Java栈也是线程私有的,虚拟机只会对栈进行两种操作,以帧为单位的入栈和出栈。每个方法在执行时都会创建一个帧,并入栈,成为当前帧。栈帧由三部分组成:局部变量区、操作数栈、帧数据区。

局部变量区被组织为一个以字长为单位、从0开始计数的数组。字节码指令通过从0开始的索引来使用其中的数据。类型为int、float、reference和return Address的值在数组中只占据一项,而类型为byte、short和char的值存入时都会转化为int类型,也占一项,而long、double则连续占据两项。

关于局部变量区给出如下一个例子。

复制代码
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;
    } 
}
复制代码

可以看到类方法的首项中没有隐含的this指针,而对象方法则会隐含this指针。并且byte,char,short,boolean类型存入局部变量区的时候都会被转化成int类型值,当被存回堆或者方法区时,才会转化回原来的类型。

操作数栈被组织成一个以字长为单位的数组,它是通过标准的栈操作-入栈和出栈来进行访问,而不是通过索引访问。入栈和出栈也会存在类型的转化。

栈数据区存放一些用于支持常量池解析、正常方法返回以及异常派发机制的信息。即将常量池的符号引用转化为直接地址引用、恢复发起调用的方法的帧进行正常返回,发生异常时转交异常表进行处理。

5.6 本地方法栈

访问本地方式时使用到的栈,为本地方法服务,本地方法区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

5.7 执行引擎

用户所编写的程序如何表现正确的行为需要执行引擎的支持,执行引擎执行字节码指令,完成程序的功能。后面会详细介绍。

5.8 本地方法接口

本地方法接口称为JNI,是为可移植性准备的。

六、总结

至此,虚拟机的结构就已经大体介绍完了,现在我们只需要有一个初步的了解,后面对各个部分会有更加详细的介绍。谢谢各位园友观看~

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