深入理解Java虚拟机：揭秘JVM的奥秘与力量 !

一.前言

在编程世界中，Java以其“一次编写，到处运行”的特性赢得了广大开发者们的青睐。这背后的功臣，便是Java虚拟机（Java Virtual Machine，简称JVM）。JVM作为Java语言的运行环境，不仅实现了跨平台的特性，更通过其强大的内存管理和垃圾回收机制(GC 机制)、字节码执行、动态类加载等核心功能，赋予了Java程序高效、稳定和灵活的运行特性。本文将带领您深入理解Java虚拟机，揭示其背后的奥秘与力量。

二.JDK/JRE/JVM 三者关系

1. JDK (Java Development Kit): JDK 是 Java 开发工具包，它提供了完整的 Java 开发环境，包括编译器（javac）、Java 运行环境（JRE）、工具和库。安装了 JDK 后，开发者可以开发、编译并运行 Java 应用程序。

2. JRE (Java Runtime Environment): JRE 是运行 Java 程序所需的环境，包含了 Java 虚拟机（JVM）、Java 类库以及其他组件。它是运行已开发和编译的 Java 程序所必需的。

3. JVM (Java Virtual Machine): JVM 是 Java 虚拟机，负责执行编译后的 Java 字节码。它为 Java 应用程序提供了一个平台无关的运行环境，确保 Java 程序可以在任何操作系统上运行而无需重新编译。

三.JVM 的运行流程

   JVM 是如何实现一次编译到处运行的呢 ?

1.字节码生成 :

java的执行流程首先要把源代码编译成字节码文件(.class文件)  字节码是一种中间代码,它与平台无关, 使得java程序具有了跨平台的能力.

2 类加载: （Class Loading）

当Java程序运行时，JVM首先通过类加载器（ClassLoader）将这些字节码文件加载到内存中。类加载器执行以下三个主要活动：

• 加载：查找字节码文件，并从这些文件创建类在JVM内的表示。
• 链接：执行验证、准备和（可选的）解析步骤，其中验证确保加载的类符合Java语言规范，准备涉及为类变量分配内存并设置默认初始值。
• 初始化：如果类具有初始值设定项或静态代码块，它们将被执行。

3. 运行时数据区（Runtime Data Area）

加载类文件后，JVM将数据存储在运行时数据区。此内存区域包括以下几个部分：

• 堆（Heap）：所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。
• 方法区（Method Area）：存储每个类的结构如运行时常量池、字段和方法数据、构造函数和普通方法的代码。
• 栈（Stack）：Java栈存储局部变量和部分结果，并参与方法的调用和返回。
• 程序计数器（Program Counter）：每个线程都有一个程序计数器，是线程私有的，指示指令地址。

4. 执行引擎（Execution Engine）

执行引擎是JVM的心脏，负责解释字节码文件。当JVM启动时，执行引擎首先获取字节码文件中的指令，这些指令并不是普通的机器指令，而是一种特定于虚拟机的指令集。执行引擎将这些指令转换（或解释）成可由特定CPU执行的指令。为了提高性能，现代JVM提供了即时编译器（JIT），它可以在运行时将热点代码编译为本地机器代码，以减少解释执行的开销。

四.JVM中的内存区域划分(内存布局)

1) 堆(heap)

堆 是Java虚拟机（JVM）管理的最大的内存区域，用作所有Java程序创建的对象实例和数组的存储空间。这一区域是JVM内存管理的核心，因为它不仅存放对象和数组，还是所有线程共享的。不论是哪个线程创建的对象，都在堆上分配内存。此外，堆空间还由垃圾回收器自动管理，确保了内存的有效利用和应用程序的性能优化。

2) 栈 (本地方法栈/虚拟机栈)

1. 虚拟机栈:

每个线程拥有一个独立的虚拟机栈，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。方法的调用和返回对应着栈帧的入栈和出栈。

2)本地方法栈 

在JVM内部,通过c++写的代码,调用 (一般不会关注本地方法栈)

3) 程序计数器

记录当前线程所执行的字节码行号，是线程私有的内存区域。

此块区域较小 专门用来存储下一阶段的要执行的 java 指令地址

4) 元数据区

"元数据" 是计算机中的一个常见术语(Meta data) 往往指的是一些辅助性质的, 描述性质的属性

一个程序有哪些类,每个类都有哪些方法,每个方法里面都要包含哪些指令 这些都记录在元数据区中

 在上述的 JVM 运行时数据区域 堆与元数据区只能有一份,栈跟程序计数器可以有多份(每个线程都有自己的程序计数器)

class Test{
    private int n;
    private static int m;
}
main(){
    Test t = new Test();
}

1. n - 实例变量：

• • 存储位置：堆（Heap）
  • 解释：n 是 Test 类的非静态成员变量，也被称为实例变量。每次使用 new 关键字创建 Test 类的实例时，都会在堆内存中为 n 分配空间。实例变量随对象一起存在，因此 n 是存储在创建的对象内部的，位于堆内。

1. m - 静态变量：

• • 存储位置：方法区（Method Area）或元数据区（Metaspace，从 Java 8 开始）
  • 解释：m 是 Test 类的静态变量。静态变量不属于任何单个实例，而是类级别的，因此在所有实例中共享。它们被存储在方法区（在 Java 8 之前称为永久代，PermGen）或从 Java 8 开始，可能存储在元数据区（Metaspace）。这个区域用于存储类信息、常量以及静态变量。

1. t - 局部变量：

• • 存储位置：虚拟机栈（JVM Stack）中的局部变量表
  • 解释：t 是在 main 方法中声明的局部变量，用于存储对 Test 类实例的引用。局部变量存储在调用该方法的线程的虚拟机栈上，具体地说，在该方法的局部变量表中。

 五. 类加载机制

 1) 加载

1. 通过一个类的全限定名去找到其对应的.class文件
2. 将这个.class文件内的二进制数据读取出来，转化成方法区的运行时数据结构
3. 在Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口

 2) 验证

验证是连接阶段的第⼀步，这⼀阶段的⽬的是确保Class⽂件的字节 流中包含的信息符合《Java虚拟机 规范》的全部约束要求，保证这些信 息被当作代码运⾏后不会危害虚拟机⾃⾝的安全。

          

                    下图为官方java虚拟机规范

 3) 准备 (给类对象 申请空间)

准备阶段是正式为类中定义的变量(即为static修饰的变量 静态变量) 分配内存并设置类变量初始值的阶段

例如 public static int n = 123;

此时他的初始化的值为0 而非123.

4) 解析

解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符合引用替换成为直接引用的过程,也就是初始化常量的过程.

5) 初始化

初始化阶段，Java 虚拟机真正开始执行类中编写的 Java 程序代码，将主导权移交给应⽤程序。初始 化阶段就是执行类构造器⽅法的过程。

 

 六. 双亲委派模型(如何查找.class文件的策略)

JVM中进行类加载的操作,是有一个专门的模块,称为"类加载器"(ClassLoader)

类加载器的主要作用是根据提供的全限定类名（例如 java.lang.String），找到并加载相应的 .class 文件到 Java 虚拟机中。

JVM中的类加载器默认有三个的(可以自定义)

BootstrapClassLoader : 负责查找标准库的目录

ExtensionClassLoader : 负责查找拓展库的目录

ApplicationClassLoader : 负责查找当前项目的代码目录以及第三方库的目录

这种层次结构和委托关系确保了 Java 环境中类加载的安全性和有序性。

当一个类加载器收到类加载请求时，它首先会委托给其父加载器来尝试加载该类。

只有当父加载器无法加载该类时，当前加载器才会尝试自行加载。这种机制也帮助避免了类的重复加载。

双亲委派模型工作过程：

1. 类加载请求的开始：

• • 当应用需要加载一个类时，ApplicationClassLoader 通常是处理这个请求的第一个类加载器。

1. 委派给父类加载器：

• • ApplicationClassLoader 并不立即尝试加载这个类，而是首先将这个请求委托给它的父加载器，即 ExtensionClassLoader。

1. 逐级委派：

• • ExtensionClassLoader 也采取同样的策略：它继续将加载任务委托给它的父加载器，即 BootstrapClassLoader。

1. 顶级加载器尝试加载：

• • BootstrapClassLoader 是顶级加载器，在它发现没有更高级的父加载器后，开始在它负责的目录（JRE 的 lib 目录中的核心 Java 库）中查找和尝试加载指定的类。

1. 向下回溯尝试加载：

• • 如果 BootstrapClassLoader 不能加载该类，控制权会回溯到 ExtensionClassLoader。ExtensionClassLoader 接着尝试在它负责的目录（JRE 的 lib/ext 目录或者通过 java.ext.dirs 系统属性指定的目录）中加载类。
  • 如果 ExtensionClassLoader 也加载失败，最后会回溯到 ApplicationClassLoader，它将尝试在应用的类路径（classpath）中加载类，包括所有的项目目录和第三方库目录。

1. 处理加载失败：

• • 如果所有的类加载器都不能加载所需的类，最终 ApplicationClassLoader 会抛出 ClassNotFoundException，表示类加载过程失败。

这个模型确保了类加载的安全性，因为核心 Java 类库的类不能被覆盖。同时，这种机制也保证了 Java 类的唯一性，因为每个类首先由 BootstrapClassLoader 尝试加载，确保了 Java 运行时环境的一致性和稳定性。此外，双亲委派模型可以防止恶意代码替换核心库中的类，增强了运行时的安全性。

 

   

                     怀着期待出发，等待下一次再见 ~~