jvm

JVM简介及工作原理分析

1、什么是JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

简单来说，JVM是用于执行Java应用程序和字节码的软件模块，并且可以将字节码转换为特定硬件和特定操作系统的本地代码。JVM在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行，这就是Java的能够“一次编译，到处运行”的原因。

JVM包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。

2、JRE/JDK/JVM是什么关系

JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java运行环境)，也就是Java平台。所有的Java 程序都要在JRE下才能运行。普通用户只需要运行已开发好的java程序，安装JRE即可。

JDK(Java Development Kit)是程序开发者用来来编译、调试java程序用的开发工具包。JDK的工具也是Java程序，也需要JRE才能运行。为了保持JDK 的独立性和完整性，在JDK的安装过程中，JRE也是安装的一部分。所以，在JDK的安装目录下有一个名为jre的目录，用于存放JRE文件。

JVM(JavaVirtualMachine，Java虚拟机)是JRE的一部分。它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。JVM有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。Java语言最重要的特点就是跨平台运行。使用JVM就是为了支持与操作系统无关，实现跨平台。

3、JVM体系结构

JVM的内部体系结构分为三部分（图片来自网络）：

（1）类装载器（ClassLoader）子系统

（2）执行引擎

（3）运行时数据区

4、JVM工作原理

JVM是java的核心和基础，在java编译器和os平台之间的虚拟处理器。它是一种基于下层的操作系统和硬件平台并利用软件方法来实现的抽象的计算机，可以在上面执行java的字节码程序。java编译器只需面向JVM，生成JVM能理解的代码或字节码文件。Java源文件经编译器，编译成字节码程序，通过JVM将每一条指令翻译成不同平台机器码，通过特定平台运行。可以用下图来表示编译执行的简化过程：

5、JVM执行过程

1、加载class文件；

2、分配内存；

3、解释字节码成机器码；

4、运行过程垃圾收集；

5、结束。

JRE（java运行时环境）由JVM构造的java程序的运行环，也是Java程序运行的环境，但是他同时一个操作系统的一个应用程序一个进程，因此他也有他自己的运行的生命周期，也有自己的代码和数据空间。

JVM在整个jdk中处于最底层，负责于操作系统的交互，用来屏蔽操作系统环境，提供一个完整的Java运行环境，因此也就虚拟计算机。操作系统装入JVM是通过jdk中Java.exe来完成，通过下面4步来完成JVM环境：

1) 创建JVM装载环境和配置

2) 装载JVM.dll

3) 初始化JVM.dll并挂界到JNIENV(JNI调用接口)实例

4) 调用JNIEnv实例装载并处理class类。

6、JVM的生命周期

a、两个概念

JVM实例和JVM执行引擎实例

JVM实例对应了一个独立运行的Java程序 (进程级别)

JVM执行引擎实例则对应了属于用户运行程序的线程 (线程级别)

b、JVM的生命周期

JVM实例的诞生

当启动一个Java程序时，一个JVM实例就产生了，任何一个拥有public static void main(String[] args)函数的class都可以作为JVM实例运行的起点

JVM实例的运行

main()作为该程序初始线程的起点，任何其他线程均由该线程启动。JVM内部有两种线程：守护线程和非守护线程，main()属于非守护线程，守护线程通常由JVM自己使用，java程序也可以标明自己创建的线程是守护线程。

JVM实例的消亡

当程序中的所有非守护线程都终止时，JVM才退出；若安全管理器允许，程序也可以使用Runtime类或者System.exit()来退出。

7、ClassLoader（类加载器）

a、JVM整个类加载过程

JVM将整个类加载过程划分为了三个步骤：

（1）装载

装载过程负责找到二进制字节码并加载至JVM中，JVM通过类名、类所在的包名通过ClassLoader来完成类的加载，同样，也采用以上三个元素来标识一个被加载了的类：类名+包名+ClassLoader实例ID。

（2）链接

链接过程负责对二进制字节码的格式进行校验、初始化装载类中的静态变量以及解析类中调用的接口、类。在完成了校验后，JVM初始化类中的静态变量，并将其值赋为默认值。最后一步为对类中的所有属性、方法进行验证，以确保其需要调用的属性、方法存在，以及具备应的权限（例如public、private域权限等），会造成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等错误信息。

（3）初始化

初始化过程即为执行类中的静态初始化代码、构造器代码以及静态属性的初始化，在四种情况下初始化过程会被触发执行：

1. 调用了new；

2. 反射调用了类中的方法；

3. 子类调用了初始化；

4. JVM启动过程中指定的初始化类。

b、JVM类加载顺序

JVM有两种类加载器：

启动类装载器：是JVM实现的一部分

用户自定义类装载器：是Java程序的一部分，必须是ClassLoader类的子类

当JVM启动时，由Bootstrap向User-Defined方向加载类；应用进行ClassLoader时，由User-Defined向Bootstrap方向查找并加载类；

1. Bootstrap ClassLoader

这是JVM的根ClassLoader，它是用C++实现的，JVM启动时初始化此ClassLoader，并由此ClassLoader完成$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar（Sun JDK的实现）中所有class文件的加载，这个jar中包含了java规范定义的所有接口以及实现。

2. Extension ClassLoader