JVM 总体概述
前言
JVM是Java Virtual Machine(Java虛擬機(jī))的縮寫，JVM是一種用于計(jì)算設(shè)備的規(guī)范，它是一個(gè)虛構(gòu)的計(jì)算機(jī)，是通過在實(shí)際的計(jì)算機(jī)上仿真模擬各種計(jì)算機(jī)功能來實(shí)現(xiàn)的。
JVM屏蔽了與具體操作系統(tǒng)平臺(tái)相關(guān)的信息，使Java程序只需生成在Java虛擬機(jī)上一次編譯，多次運(yùn)行，具有跨平臺(tái)性。JVM在執(zhí)行字節(jié)碼時(shí)，實(shí)際上最終還是把字節(jié)碼解釋成具體平臺(tái)上的機(jī)器指令執(zhí)行。
Java虛擬機(jī)包括一套字節(jié)碼指令集、一組寄存器、一個(gè)棧、一個(gè)垃圾回收堆和一個(gè)存儲(chǔ)方法區(qū)。
本文將簡述以下內(nèi)容:
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JVM是什么？
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JVM能干什么？
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JVM生命周期？
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JVM組成架構(gòu)？
正文
JVM是什么
JDK、JRE和JVM對(duì)比
JVM，JRE，JDK?都是?java?語言的支柱，他們分工協(xié)作。但不同的是?Jdk?和?JRE?是真實(shí)存在的，而?JVM?是一個(gè)抽象的概念，并不真實(shí)存在。
JDK
JDK(Java Development Kit) 是?Java?語言的軟件開發(fā)工具包（SDK）。JDK?物理存在，是?programming tools、JRE?和?JVM?的一個(gè)集合。
JRE
JRE（Java Runtime Environment）Java?運(yùn)行時(shí)環(huán)境，JRE?是物理存在的，主要由Java API?和?JVM?組成，提供了用于執(zhí)行?java?應(yīng)用程序最低要求的環(huán)境。
JVM
JVM是一種用于計(jì)算設(shè)備的規(guī)范，它是一個(gè)虛構(gòu)的計(jì)算機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)，簡單的說，JVM是運(yùn)行byte code字節(jié)碼程序的一個(gè)容器。
JVM的特點(diǎn)
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基于堆棧的虛擬機(jī)：最流行的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，如英特爾?X86?架構(gòu)和?ARM?架構(gòu)上運(yùn)行基于?寄存器。比如，安卓的?Davilk?虛擬機(jī)就是基于?寄存器?結(jié)構(gòu)，而?JVM?是基于棧結(jié)構(gòu)的。
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符號(hào)引用?：除了基本類型以外的數(shù)據(jù)?（類和接口）?都是通過符號(hào)來引用，而不是通過顯式地使用內(nèi)存地址來引用。
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垃圾收集?：一個(gè)類的實(shí)例是由用戶程序創(chuàng)建和垃圾回收自動(dòng)銷毀。
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網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序?：Java class文件用網(wǎng)絡(luò)字節(jié)碼順序來進(jìn)行存儲(chǔ)，保證了小端的Intel x86架構(gòu)和大端的RISC系列的架構(gòu)之間的無關(guān)性。
JVM字節(jié)碼
JVM使用Java字節(jié)碼的方式，作為Java?用戶語言?和?機(jī)器語言?之間的中間語言。實(shí)現(xiàn)一個(gè)通用的、?機(jī)器無關(guān)的執(zhí)行平臺(tái)。
JVM能干什么
基于安全方面考慮，JVM?要求在?class?文件中使用強(qiáng)制性的語法和約束，但任意一門語言都可以轉(zhuǎn)換為被?JVM?接受的有效的?class?文件。作為一個(gè)通用的、機(jī)器無關(guān)的執(zhí)行平臺(tái)，任何其他語言的實(shí)現(xiàn)者都可將?JVM當(dāng)作他的語言產(chǎn)品交付媒介。
JVM?中執(zhí)行過程如下：
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加載代碼
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驗(yàn)證代碼
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執(zhí)行代碼
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提供運(yùn)行環(huán)境
`JVM`生命周期
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啟動(dòng)：任何一個(gè)擁有main方法的class都可以作為JVM實(shí)例運(yùn)行的起點(diǎn)。
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運(yùn)行：main函數(shù)為起點(diǎn)，程序中的其他線程均有它啟動(dòng)，包括daemon守護(hù)線程和non-daemon普通線程。daemon是JVM自己使用的線程比如GC線程，main方法的初始線程是non-daemon。
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消亡：所有線程終止時(shí)，JVM實(shí)例結(jié)束生命。
`JVM`組成架構(gòu)
JAVA?代碼執(zhí)行過程如下：
1. 類加載器（Class Loader）
類加載器?負(fù)責(zé)加載程序中的類型（類和接口），并賦予唯一的名字予以標(biāo)識(shí)。
JDK?默認(rèn)提供的三種?ClassLoader如下：
類加載器的關(guān)系
Bootstrap Classloader?是在Java虛擬機(jī)啟動(dòng)后初始化的。
Bootstrap Classloader?負(fù)責(zé)加載?ExtClassLoader，并且將?ExtClassLoader的父加載器設(shè)置為?Bootstrap Classloader
Bootstrap Classloader?加載完?ExtClassLoader?后，就會(huì)加載?AppClassLoader，并且將?AppClassLoader?的父加載器指定為?ExtClassLoader。
類加載器的作用
| Bootstrap Loader | C++ | %JAVA_HOME%/jre/lib,?%JAVA_HOME%/jre/classes以及-Xbootclasspath參數(shù)指定的路徑以及中的類 |
| Extension ClassLoader | Java | %JAVA_HOME%/jre/lib/ext，路徑下的所有classes目錄以及java.ext.dirs系統(tǒng)變量指定的路徑中類庫 |
| Application ClassLoader | Java | Classpath所指定的位置的類或者是jar文檔，它也是Java程序默認(rèn)的類加載器 |
雙親委托機(jī)制
Java中ClassLoader的加載采用了雙親委托機(jī)制，采用雙親委托機(jī)制加載類的時(shí)候采用如下的幾個(gè)步驟：
當(dāng)前ClassLoader首先從自己已經(jīng)加載的類中查詢是否此類已經(jīng)加載，如果已經(jīng)加載則直接返回原來已經(jīng)加載的類。
當(dāng)前ClassLoader的緩存中沒有找到被加載的類的時(shí)候，委托父類加載器去加載，父類加載器采用同樣的策略，首先查看自己的緩存，然后委托父類的父類去加載，一直到Bootstrap ClassLoader。
當(dāng)所有的父類加載器都沒有加載的時(shí)候，再由當(dāng)前的類加載器加載，并將其放入它自己的緩存中，以便下次有加載請(qǐng)求的時(shí)候直接返回。
小結(jié)?：雙親委托機(jī)制的核心思想分為兩個(gè)步驟。其一，自底向上檢查類是否已經(jīng)加載；其二，自頂向下嘗試加載類。
`ClassLoader`隔離問題
每個(gè)類裝載器都有一個(gè)自己的命名空間用來保存已裝載的類。當(dāng)一個(gè)類裝載器裝載一個(gè)類時(shí)，它會(huì)通過保存在命名空間里的類全局限定名(Fully Qualified Class Name)進(jìn)行搜索來檢測(cè)這個(gè)類是否已經(jīng)被加載了。
JVM?及?Dalvik?對(duì)類唯一的識(shí)別是?ClassLoader id?+?PackageName?+?ClassName，所以一個(gè)運(yùn)行程序中是有可能存在兩個(gè)包名和類名完全一致的類的。并且如果這兩個(gè)”類”不是由一個(gè)?ClassLoader?加載，是無法將一個(gè)類的示例強(qiáng)轉(zhuǎn)為另外一個(gè)類的，這就是?ClassLoader?隔離。
雙親委托?是?ClassLoader類一致問題的一種解決方案，也是?Android?差價(jià)化開發(fā)和熱修復(fù)的基礎(chǔ)。
類裝載器特點(diǎn)
Java提供了動(dòng)態(tài)加載特性。在運(yùn)行時(shí)的第一次引用到一個(gè)class的時(shí)候會(huì)對(duì)它進(jìn)行裝載(Loading)?、** 鏈接(Linking)** 和 ** 初始化(Initialization) ** ，而不是在編譯時(shí)進(jìn)行。不同的JVM的實(shí)現(xiàn)不同，本文所描述的內(nèi)容均只限于Hotspot JVM。
JVM的類裝載器負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)裝載，Java的類裝載器有如下幾個(gè)特點(diǎn)：
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層級(jí)結(jié)構(gòu)：Java里的類裝載器被組織成了有父子關(guān)系的層級(jí)結(jié)構(gòu)。Bootstrap類裝載器是所有裝載器的父親。
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代理模式： 基于層級(jí)結(jié)構(gòu)，類的代理可以在裝載器之間進(jìn)行代理。當(dāng)裝載器裝載一個(gè)類時(shí)，首先會(huì)檢查它在父裝載器中是否進(jìn)行了裝載。如果上層裝載器已經(jīng)裝載了這個(gè)類，這個(gè)類會(huì)被直接使用。反之，類裝載器會(huì)請(qǐng)求裝載這個(gè)類
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可見性限制：一個(gè)子裝載器可以查找父裝載器中的類，但是一個(gè)父裝載器不能查找子裝載器里的類。
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不允許卸載：類裝載器可以裝載一個(gè)類但是不可以卸載它，不過可以刪除當(dāng)前的類裝載器，然后創(chuàng)建一個(gè)新的類裝載器裝載。
類裝載器過程
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加載（Loading）
首先，根據(jù)類的全限定名找到代表這個(gè)類的Class文件，然后讀取到一個(gè)字節(jié)數(shù)組中。接著，這些字節(jié)會(huì)被解析檢驗(yàn)它們是否代表一個(gè)Class對(duì)象?并包含正確的major、minor版本信息。直接父類?的類和接口也會(huì)被加載進(jìn)來。這些操作一旦完成，類或者接口對(duì)象?就從二進(jìn)制表示中創(chuàng)建出來了。
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鏈接（Linking）
鏈接是檢驗(yàn)類或接口并準(zhǔn)備類型和父類接口的過程。鏈接過程包含三步：校驗(yàn)（Verifying）、準(zhǔn)備（Preparing）、部分解析（Optionally resolving）。
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驗(yàn)證
這是類裝載中最復(fù)雜的過程，并且花費(fèi)的時(shí)間也是最長的。任務(wù)是確保導(dǎo)入類型的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證階段做的檢查，運(yùn)行時(shí)不需要再做。雖然減慢加了載速度，但是避免了多次檢查。
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準(zhǔn)備
準(zhǔn)備過程通常分配一個(gè)結(jié)構(gòu)用來存儲(chǔ)類信息，這個(gè)結(jié)構(gòu)中包含了類中定義的成員變量，方法?和接口信息等。
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解析
解析是可選階段，把這個(gè)類的常量池中的所有的符號(hào)引用改變成直接引用。如果不執(zhí)行，符號(hào)解析要等到字節(jié)碼指令使用這個(gè)引用時(shí)才會(huì)進(jìn)行。
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初始化（Initialization）
把類中的變量初始化成合適的值。執(zhí)行靜態(tài)初始化程序，把靜態(tài)變量初始化成指定的值。
JVM規(guī)范定義了上面的幾個(gè)任務(wù)，不過它允許具體執(zhí)行的時(shí)候能夠有些靈活的變動(dòng)。
2. 執(zhí)行引擎（Execution Engine）
通過類裝載器裝載的，被分配到JVM的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的字節(jié)碼會(huì)被執(zhí)行引擎執(zhí)行。
執(zhí)行引擎?以指令為單位讀取?Java?字節(jié)碼。它就像一個(gè)?CPU?一樣，一條一條地執(zhí)行機(jī)器指令。每個(gè)字節(jié)碼指令都由一個(gè)1字節(jié)的操作碼和附加的操作數(shù)組成。執(zhí)行引擎?取得一個(gè)操作碼，然后根據(jù)操作數(shù)來執(zhí)行任務(wù)，完成后就繼續(xù)執(zhí)行下一條操作碼。
不過?Java?字節(jié)碼是用一種人類可以讀懂的語言編寫的，而不是用機(jī)器可以直接執(zhí)行的語言。因此，執(zhí)行引擎必須把字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成可以直接被?JVM?執(zhí)行的語言。
字節(jié)碼?可以通過以下兩種方式轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言：
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解釋器
解釋器?一條一條地讀取字節(jié)碼，解釋?并且?執(zhí)行?字節(jié)碼指令。因?yàn)樗粭l一條地解釋和執(zhí)行指令，所以它可以很快地解釋字節(jié)碼，但是執(zhí)行起來會(huì)比較慢。這是解釋執(zhí)行的語言的一個(gè)缺點(diǎn)。字節(jié)碼這種“語言”基本來說是解釋執(zhí)行的。
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即時(shí)（Just-In-Time)編譯器
即時(shí)編譯器?被引入用來彌補(bǔ)解釋器的缺點(diǎn)。執(zhí)行引擎?首先按照?解釋執(zhí)行?的方式來執(zhí)行，然后在合適的時(shí)候，即時(shí)編譯器?把?整段字節(jié)碼?編譯成?本地代碼。然后，執(zhí)行引擎就沒有必要再去解釋執(zhí)行方法了，它可以直接通過本地代碼去執(zhí)行它。執(zhí)行本地代碼比一條一條進(jìn)行解釋執(zhí)行的速度快很多。編譯后的代碼可以執(zhí)行的很快，因?yàn)楸镜卮a是保存在緩存里的。
Java?字節(jié)碼是解釋執(zhí)行的，但是沒有直接在?JVM?宿主執(zhí)行原生代碼快。為了提高性能，Oracle Hotspot虛擬機(jī)會(huì)找到執(zhí)行最頻繁的字節(jié)碼片段并把它們編譯成原生機(jī)器碼。編譯出的原生機(jī)器碼被存儲(chǔ)在非堆內(nèi)存的代碼緩存中。
通過這種方法（JIT），Hotspot?虛擬機(jī)將權(quán)衡下面兩種時(shí)間消耗：將字節(jié)碼編譯成本地代碼需要的額外時(shí)間和解釋執(zhí)行字節(jié)碼消耗更多的時(shí)間。
這里插入一下 Android 5.0 以后用的 ART 虛擬機(jī)使用的是 AOT 機(jī)制。
Dalvik?是依靠一個(gè)?Just-In-Time (JIT)編譯器去解釋字節(jié)碼。開發(fā)者編譯后的應(yīng)用代碼需要通過一個(gè)解釋器在用戶的設(shè)備上運(yùn)行，這一機(jī)制并不高效，但讓應(yīng)用能更容易在不同硬件和架構(gòu)上運(yùn)行。ART?則完全改變了這套做法，在應(yīng)用安裝時(shí)就預(yù)編譯字節(jié)碼到機(jī)器語言，這一機(jī)制叫Ahead-Of-Time (AOT）編譯。在移除解釋代碼這一過程后，應(yīng)用程序執(zhí)行將更有效率，啟動(dòng)更快。
參考
周志明，深入理解Java虛擬機(jī)：JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐，機(jī)械工業(yè)出版社
總結(jié)
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