Java虚拟机架构详解
2021-08-02 17:03:35 0 举报AI智能生成
Java虚拟机架构详解
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大纲/内容
虚拟机概念
所谓的虚拟机就是一台虚拟的计算机。它是一个软件，用来执行一系列的虚拟计算机指令。
虚拟机的分类
系统虚拟机
程序虚拟机
Java虚拟机介绍
作用
Java虚拟机是二进制字节码的运行环境。
负责装载字节码到其内部。
解释/编译为对应平台的机器指令并执行。
特点
一次编译到处运行
自动内存管理
自动垃圾回收功能
位置
整体架构图
Java字节码执行流程
执行流程
Java编译器编译过程中，任何一个节点执行失败就会造成编译失败
虽然各个平台的Java虚拟机内部是实现细节不尽相同，但是它们共同执行的字节码内容却是一样的
JVM的主要任务就是负责字节码装载到其内部，解释/编译为对应平台（window，Linux......）上的机器指令（即：汇编语言）执行
java虚拟机使用类加载器（Class Loader）装载class文件
类加载完成之后，会进行字节码校验，字节码校验通过后JVM解释器会把字节码翻译成机器码（即：汇编语言）交由操作系统执行
但不是所有的代码都是解释执行的，JVM对此做了优化，比如，以HotSpot虚拟机来说，它本身提供了JIT（Just In Time）
Java虚拟机的架构模型
基于栈的指令集架构
设计和实现更简单，适用于资源受限的系统
避开了寄存器的分配难题：使用零地址指令方式分配 （不需要地址，只做入栈出栈的操作）
指令中大部分是零地址指令，其执行过程依赖于操作栈。指令集更小，编译器容易实现
不需要硬件支持，可移值性更好，更好实现跨平台。
基于寄存器的指令集架构
典型的应用是x86的二进制指令集：比如传统的pc以及安卓的Davlik虚拟机
指令集架构则完全依赖于硬件，可以移植性差
性能和执行更高效
花费更少的指令去完成一项操作
在大部分情况下，基于寄存器架构的指令集往往以一地址指令，二地址指令和三地址指令为主，而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主
总结：由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令
Java虚拟机的生命周期
启动
Java虚拟机的启动是通过引导类加载器（bootstrap class loader）创建一个初始化类（initial class）来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现指定的。
运行
一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序
程序开始执行时它才运行，程序结束时它才停止
执行一个所谓的Java程序的时候，真真正正在执行的是一个叫做Java虚拟机的进程。
退出
程序正常结束
程序在执行过程中遇到异常或错误而异常终止
由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止
某线程调用runtime类或System的exit方法，或者Runtime类的halt方法，并且Java安全管理器允许这次的exit或halt操作
除此之外，JNI（Java Native Interface）规范中描述了用JNI Invocation API来加载或者卸载Java虚拟机时，Java虚拟机退出的情况
Java虚拟机整体架构
类加载子系统
作用
类加载子系统负责从文件系统或者网络中加载class文件，class文件在文件开头有特定的文件标识
ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则有ExecutionEngine(执行引擎)决定
加载的信息存放于一块称为方法区的内存空间，除了类的信息外，方法区中还会存放运行时常量池信息，可能还包括字符串字面量和数字常量（这部分常量信息是class文件中常量池部分的内存映射）
类加载过程
加载
通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
在 堆区 中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为 方法区 这个类的各种数据的访问入口
说明：
a、Class对象 封装了 类 在 方法区 内的数据结构， 并且向java程序员提供了访问 方法区 的数据结构的接口
b、类的加载的最终产品是位于 堆区 中的 Class对象；
c、这里可能会搞混堆区和方法区，Class对象是存放在堆区的，不是方法区，元数据并不是类的Class对象！！，类的元数据才是存在方法区的
d、Class对象是加载的最终产品，类的方法代码，变量名，方法名，访问权限，返回值等等都是在方法区的
e、JVM 在加载 class 的时候，创建 instanceKlass（JVM中的数据结构） 表示其元数据，包括常量池、字段、方法等，存放在方法区中
f、在 new 一个对象时，JVM 创建 instanceOopDesc，来表示这个对象，存放在堆区
补充：加载.class文件的方式
从本地系统中直接加载
通过网络获取，典型场景：web Applet
从zip包中获取，成为日后jar、war格式的基础
运行时计算生成，使用最多的是：动态代理技术
由其他文件生成，典型场景：JSP应用
从专有数据库中提取.class文件，比较少见
从加密文件中获取，典型的防.class文件被反编译的保护措施
链接
验证
目的在于确保class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机要求，保证被加载类的正确性，不会危害虚拟机的自身安全
主要包括四种验证：
文件格式验证
元数据验证
字节码验证
符号引用验证
准备
为类变量分配内存并设置该类变量的默认初始值
这里不包含final修饰的static，因为final在编译时就会分配，准备阶段会显式初始化
这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，而实例变量会随着对象一起分配到Java堆中
解析
将常量池内的符号引用转化为直接引用的过程
事实上，解析操作往往会伴随着JVM在执行完初始化之后再执行
符号引用就是一组符号来描述所引用的目标。符号引用的字面量形式明确定义在《Java虚拟机规范》的Class文件格式中，直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄
解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等。对应常量池中的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等
补充：
直接引用：就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。
初始化
初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit>()的过程
此方法不需要定义，是Javac编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来，如果没有就不会有<clinit>()
构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行
<clinit>()不同于类的构造器。（说明：构造器是虚拟机视角下的<init>()）
若该类具有父类，JVM会保证子类的<clinit>()执行前，父类的<clinit>()已经执行完毕
虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程下被同步加锁
注意：
加载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的，而解析阶段则不一定，它在某些情况下可以在初始化阶段之后开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）
另外注意这里的几个阶段是按顺序开始，而不是按顺序进行或完成，因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段
类加载器
作用
class file存在于本地硬盘上，可以理解为设计师画在纸上的模板，而最终这个模板在执行的时候要加载到JVM中来根据这个文件实例化出n个一模一样的实例
class file加载到JVM中被称为DNA元素模板放在方法区
在.class文件-->JVM-->最终成为元数据模板，此过程就要有一个运输工具（类加载器 Class Loader），扮演一个快递员的角色
分类
JVM支持两种类型的类加载器，分别是：引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自定义类加载器（User-defined ClassLoader）
从概念上讲，自定义类加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的一类类加载器，但是Java虚拟机规范中却没有这么定义，而是将所有派生于抽象类ClassLoader的类加载器都划分为自定义类加载器
无论类加载器的类型如何划分，在程序中我们最常见的类加载器始终只有3个
启动类加载器（引导类加载器：Bootstrap ClassLoader）
这个类加载使用C/C++语言实现，嵌套在JVM内部
它用来加载Java的核心类库（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar或sun.boot.class.path路径下的内容），用户提供jvm自身需要的类
并不继承紫java.lang.ClassLoader，没有父加载器
加载扩展类和应用程序类加载器，并指定为它们的父类加载器
出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为：java，javax，sun 等开头的类
扩展类加载器（Extension ClassLoader）
Java语言编写，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。
派生于ClassLoader类
父类加载器为启动类加载器
从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，或从JDK的安装目录的jre/lib/ext子目录（扩展目录）下加载类库，如果用户创建的JAR放在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载
应用程序类加载器（系统类加载器，Application ClassLoader）
java语言编写，由sun.misc.Launcher$ApplicationClassLoader
派生于ClassLoader类
父类加载器为扩展类加载器
它负责加载环境变量classpath或系统属性java.class.path指定路径下的类库
该类加载器是程序中默认的类加载器，一般来说，Java应用的类都是由它来完成加载
通过ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器。
自定义类加载器
定义
在Java的日常应用程序开发中，类的加载几乎上由上述3种类加载器相互配合执行的，在必要时，我们还可以自定义类加载器，来定制类的加载方式
作用
隔离加载类
修改类加载的方式
扩展加载源
防止源码泄露
定义类加载器的实现步骤
开发人员通过继承抽象类java.lang.ClassLoader类的方式，实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求
在JDK1.2之前，在自定义类加载器时，总会去继承ClassLoader类并重写loaderClass()方法，从而实现自定义的类加载类，但是JDK1.2之后已不再建议用户去覆盖loadClass()方法，而是建议把自定义的类加载逻辑写在findClass()方法中
在编写自定义类加载器时，如果没有太过于复杂的需求，可以直接接触URLClassLoader类，这样就避免自己去编写findClass()方法及其获取字节码流的方式，使自定义类加载器编写更加简洁
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