目录

前言

一、了解Java程序运行的过程

二、字节码文件的“装到”JVM的机制——类加载机制

1.步骤

2.步骤详解

3.class初始化时机

4.类加载的实现者——类加载器

Bootrap ClassLoader介绍

Extension ClassLoader介绍

Application ClassLoader介绍

5.双亲委派加载机制/模型（面试常考）

双亲委派加载机制/模型的作用

为什么要自定义类加载器？

三、初始运行时数据区

四、JVM执行引擎的组成

五、总结

 

前言

阅读本文之前请先仔细思考以下问题：

为什么要学习JVM？学习JVM是为了什么？

为什么Java语言代码能一次编写，到处运行（Write Once，Run Anywhere）？

JVM是多语言的平台，JRuby、Groovy、Scala等为什么能运行在JVM之上？

Java到底是解释型的语言还是编译型的语言？

 

补充1：JDK：JRE：JVM三者之间的区别？

JDK=JRE+开发工集（例如：Javac编译工具等）

JRE=JVM+基础标准类库

补充2：理解“JVM是跨语言的平台”这句话

 

一、了解Java程序运行的过程

Java程序的运行过程可以概括为先通过编译工具javac将.java文件编译为.class字节码文件，接着通过java.exe把字节码文件加载到JVM，如下图所示：

从定性角度分析，.java文件转换到.class文件只不过是转换了一种形式而已，转换得到的.class文件称为字节码文件，它有固定的结构（参考字节码文件格式和虚拟机规范https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/index.html）。当然，除了阅读这个文档之外，还可以通过javap命令来反编译字节码文件去分析其中的内容。

二、字节码文件的“装到”JVM的机制——类加载机制

1.步骤

loading->linking->initializing

2.步骤详解

1.加载：通过类的全限定名来获得文件名，并查找导入磁盘的class文件

2.链接：

1）验证：保证字节码文件的格式正确（版本号、字节码、符号引用等）。

2）准备：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认初始值。

3）解析：把类中的符号引用转化为直接引用。符号引用指的是由一组符号描述的目标，它可以是任何的字面量；直接引用是指直接指向目标的指针，或者说是真实的指针地址。

3.初始化：为类的静态变量赋值，然后执行类的初始化（static）语句。初始化的详细过程：

1）如果类还没有被加载和链接（即没有执行前两个过程），那就先进行加载和初始化；

2）如果类存在父类，并且父类还没有初始化，那就先初始化直接父类；

3）如果类中存在初始化语句，顺序执行初始化语句。

 

3.class初始化时机

1.创建类的实例（四种方式）；（哪四种方式：new一个对象；反射；序列化、反序列化；克隆）（说得再直白点，如果类的实例已经存在，那么相应的字节码文件一定也存在）

2.访问类中的某个静态变量，或者对静态变量进行赋值；

3.主动调用类的静态方法；

4.Class.forname("包类名")；（完成了类的初始化）

5.完成子类的初始化，也完成对本类的初始化（接口例外）；

6.该类是程序引导入口（main方法入口或者test入口）。

 

Demo实例分析：

//Demo.java //F.java public class F { public static int FCount = 200; static { System.out.println(FCount); } } //S.java public class S extends F { public static int SCount = 100; static { System.out.println(Scount); } } //Test.java public class Test { public static void main(String[] args) S.SCount = 1000; //问题：会先执行哪条打印语句 } }

问题答案：先执行FCount的打印语句。原因：见初始化时机第5条。

4.类加载的实现者——类加载器

JDK自带的Class Loader一共有三个，可以分成两大类：

1.Bootrap ClassLoader；

2.Extension ClassLoader；

3.Application ClassLoader

 

4.1.Bootrap ClassLoader介绍

1.JVM自带的引导类加载器，由C/C++的语言实现，在Java中打印null；

2.加载Java的核心类库，$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar、resource.jar或Java程序运行指定的Xbootclasspath选项jar包；

3.指定加载java，javax，sun等开头的包类名。

 

如果自定义了一个类，这个类的包名为java.lang，那么new一个这个自定义类的对象就会报错，因为java开头的包类名不能自定义类！

4.2.Extension ClassLoader介绍

1.Java语言编写的类加载器sun.misc.Launcher$ExtClassLoader（静态内部类）

2.指定Bootrap ClassLoader为Parent加载器-->getParent()可以获取Bootrap ClassLoader

3.负责架子啊java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/ext或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包（如果我们自定义的class需要交给Ext来加载可以放置到ext的目录下）

 

4.3.Application ClassLoader介绍

1.Java语言编写的类加载器sun.misc.Launcher$APPClassLoader（静态内部类）

2.该加载器是Java程序默认的类加载器，Java应用的类都是该类加载器加载的

3.指定Extension ClassLoader为parent加载器-->getParent()可以获取Extension ClassLoader

4.负责加载环境变量classpath指定的目录，或者java.class.path指定的目录类库

 

5.双亲委派加载机制/模型（面试常考）

从源码分析可知，Extension ClassLoader和Application ClassLoader都是继承于ClassLoader这个抽象类。ClassLoader中的loadClass方法中实现了双亲委派：

loadClass源码：

protected Class loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { synchronized (getClassLoadingLock(name)) { // First, check if the class has already been loaded Class c = findLoadedClass(name); if (c == null) { long t0 = System.nanoTime(); try { if (parent != null) { c = parent.loadClass(name, false); } else { c = findBootstrapClassOrNull(name); } } catch (ClassNotFoundException e) { // ClassNotFoundException thrown if class not found // from the non-null parent class loader } if (c == null) { // If still not found, then invoke findClass in order // to find the class. long t1 = System.nanoTime(); c = findClass(name); // this is the defining class loader; record the stats sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0); sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1); sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment(); } } if (resolve) { resolveClass(c); } return c; } }

这段代码的逻辑是：

1.先调用方法findLoadedClass()来判断是否已经存在这个类；

2.若存在，则跳过不执行；否则，执行try语句块中的代码；

3.递归判断parent是否为空并调用parent的loadClass方法。由于刚开始调用时类加载器为Application ClassLoader，所以parent为Extension ClassLoader不是null，继续调用parent的loadClass方法，Extension ClassLoader的parent为Bootrap ClassLoader，这时parent为null（表示不可访问），就会执行try语句块中else部分语句findBootstrapClassOrNull方法，这个方法调用C/C++编写的native方法private native Class findBootstrapClass(String name)来尝试加载这个类；接着也是一个递归过程。

4.如果Bootrap ClassLoader无法加载并且没有找到这个类就会交给子类Extension ClassLoader来尝试加载，如果它也无法加载并且没有找到对应的类，那么最终就会交给Application ClassLoader去加载，由Application ClassLoader实现类的加载过程。

 

双亲委派加载机制/模型的作用

1.避免类的重复加载；

2.保护程序安全，放置核心的Java语言环境遭受破坏。

如何理解？例如：java.lang包下的类都是非常宝贵的，例如String类，如果我自己定义了一个也叫做String的类，那么如何保证核心类库下的String类能够被正常加载呢？当new一个String对象时，实际上是由Bootrap ClassLoader调用native的方法findBootstrapClass得到的一个final类，而不是自定义的类所对应的对象。

进一步，如果想要破坏这样一个逻辑，或者说想要new的对象是自定义的String类的对象，那么可以通过重写loadClass方法来实现；换句话说，这也是为什么Application ClassLoader、Extension ClassLoader以及Bootrap ClassLoader没有重写这个方法的原因，所以只要调用loadClass方法就一定会按照这个逻辑执行。

 

为什么要自定义类加载器？

1.适配数据源

2.环境隔离；

3.jar包共享；

4.防止源码泄露。

 

三、初始运行时数据区

在JVM中划分了几大区域来分别存储不同时期或者不同class文件产生的不同的数据，有些区域随着JVM的启动就创建了并且随着JVM的关闭而销毁；其他的数据区域则是跟线程相关，即随着线程的创建而创建，随着线程的死亡而销毁。主要包括（参考JVM结构第2.5小节-Runi-Time Data Areas）：

1. The pc Register（程序计数器）

通俗的讲，就是指下一个命令的地址。它与线程同创建同销毁。

由于JVM支持多线程，每个线程都会有自己的程序计数器，线程执行方法的过程中都会记录这个程序计数器。例如，线程A在调用某个方法，执行到某个过程时由于某种原因失去CPU执行权，而线程B获得了CPU执行权，当线程B完成某个任务之后，线程A又获得了CPU执行权，那么JVM需要知道从哪里开始继续执行。简单而言，就是用来保存当前当前线程当中执行的位置。

 

2. JVM stacks（Java虚拟机栈）

指当前执行线程的独占空间。与线程同创建同销毁。

初学时，我们简单粗暴的将JVM分为栈和堆，其中的栈就是这个虚拟机栈。

它以栈的形式存在，即先进后出。

保存的是栈帧（frame），每个栈帧中又保存了一些数据结构，例如局部变量、动态链接、返回地址等；或线程的运行状态，或理解为调用的方法。

 

3. Heap（堆）

程序运行中最需要关注的内容。

是线程共享的。与虚拟机同创建同消亡。

存储类的实例即对象和数组。

分为老年代、新生代，新生代又分为存活区、伊甸区，思考这样分的原因？

 

4. Method Area（方法区）

是所有线程共享的区域。随着JVM启动而创建。

保存的是类已经加载的信息，例如常量池、属性和方法数据以及方法体和构造器中编译后的代码。这些数据基本不变，而经常发生变化的保存在堆中

如果方法区的内存无法满足申请的需求时，会报出OutOfMemoryError的错误。

JDK8以前叫做永久代（Perm Space），1.8叫做metaspace。

 

5. Run-Time Constant Pool（运行时常量池）

每个常量池由JVM中的方法区进行分配。

 

6. Native Method Stacks（本地方法栈）

native方法（C/C++编写的方法）的保存位置，不能用JVM栈保存

 

 

四、JVM执行引擎的组成

JVM本质上也是一个程序、一个进独立的进程，最终还是要交给操作系统去运行，这就涉及到执行引擎。

思考问题：Java是编译型语言还是解释型语言？   Ans：解释+编译

解释器：把class字节码文件中的指令翻译成机器语言、机器能够马上执行的指令；

即时编译器：

垃圾回收器：对内存共享区域（例如堆、方法区）的自动处理。

 

五、总结

注意，图中把常量池合并到了方法区。