JVM 體系結構

JVM 是一種抽象的計算機，基於堆棧架構，它有自己的指令集和內存管理，是 Java 跨平台的依據，JVM解釋執行位元組碼，或將位元組碼編譯成本地代碼執行。Java 虛擬機體系結構如下：

Class File

Class File 是平台無關的二進位文件，包含著能被JVM執行的位元組碼，其中多位元組採用大端序，字元使用一種改進的UTF-8編碼。Class文件精確的描述了一個類或介面的信息，其中包括：

• 常量池：數值和字元串字面常量，元數據如類名、方法名稱、參數，以及各種符號引用
• 方法的位元組碼指令，參數個數，局部變數，最大操作數棧深度，異常等信息

Class Loader

類載入器，JVM在類首次使用時 的載入、鏈接和初始化。JVM默認的載入模型是雙親委派模型，類載入器之間存在父子關係的層次結構，內部使用組合實現。此外還有其他的載入方式，比如Servlet載入，它先嘗試自己載入，不成功再委派上層載入器，類隔離；OSGI載入器之間是一種網狀的依賴關係，沒有上下層的區分，比較靈活。

載入

載入就是將Class文件表示的類或介面，在JVM方法區中創建一個與之對應的java.lang.Class對象，像Class.forName、ClassLoader.loadClass、反射都能觸發類載入。當觸發一個類載入時，詳細的過程如下：

• 檢查類是否已經被載入
• 將載入請求委派給上層類載入器
• 自己嘗試搜索類並載入

當ClassLoader在classpath中未找到類文件，會拋出ClassNotFoundException；當類A引用類B，類A已經成功載入，但是載入B時未找到類文件，會拋出NoClassDefFoundError。JVM有以下幾種類載入器：

• Bootstrap ClassLoader，啟動類載入器，載入 <java_home>\jre\lib 中 Java 核心類庫
• Extension ClassLoader，擴展類載入器，載入 <java_home>\jre\lib\ext 中的類
• System ClassLoader，系統類載入器，也叫應用程序類載入器（Application class loader），載入 CLASSPATH 環境變數中的類

鏈接

• 驗證：確保class文件的正確性。
• 準備：為類靜態欄位分配內存並初始化為默認值，不會執行任何位元組碼指令。
• 解析：將符號引用轉為方法區（運行時常量池）直接引用

初始化

執行類初始化方法，即賦值靜態欄位，執行靜態塊，順序按照其定義的先後。父類的靜態域會先於子類靜態域初始化。

至此，一個類或介面被載入到了內存中，JVM會保證整個過程是 線程安全 的。需要注意的是整個過程沒有涉及到任何實例對象。

運行時數據區

• Method Area ： 線程共享 ，存儲運行時常量池、類欄位和方法信息、靜態變數和方法的位元組碼，是堆的邏輯組成部分，這部分的垃圾回收是可選的。值得一提的是Hotspot JVM自JDK8之後，調整了這部分內存的內容，class meta-data的分配使用本地內存，interned String和類靜態變數移動到了Java堆。
• 運行時常量池 ：對於JVM來說具有核心作用，基本上涉及到方法或欄位，JVM就會在運行時常量池中搜索其具體的內存地址。
• Heap ： 線程共享 ，存儲實例對象，實例變數以及數組，是垃圾回收的主要區域。
• JVM Stack ： 線程私有 ，用於存儲棧幀，當方法被調用時會創建一個 棧幀 入棧，棧幀由以下幾部分組成：
  • 局部變數表：從0開始存儲this、方法參數、局部變數。
  • 操作數棧：方法的工作區，在操作數棧和局部變數之間交換數據，存儲中間結果，操作數棧深度在編譯時就能確定。
  • 幀數據：方法返回值，異常分派，以及當前方法所在類運行時常量池的引用。
• PC Register ： 線程私有 ，保存當前指令地址，執行后指向下一條指令地址。
• Native Method Stack ： 線程私有 ，存儲本地方法信息，C或C++棧。

執行引擎

讀取、翻譯、執行位元組碼。JVM基於棧架構，這個棧就是操作數棧，位元組碼指令就是通過它進行各種運算。此外還有基於寄存器的虛擬機。

• Interpreter，翻譯：解釋位元組碼比較快，執行慢，缺點是每次方法調用都要重新翻譯解釋一遍。
• JIT Compiler，即時編譯：找出程序中頻繁調用的熱點方法，將位元組碼編譯成本地代碼，提高性能。
• Garbage Collector，垃圾收集器：回收無效對象，判斷對象是否可回收，可採用不同的垃圾回收演算法。

本地方法介面和庫

JNI，調用本地方法，c/c++庫；執行引擎所需的本地方法庫。

小結

主流JVM的實現有Oracle的Hotspot JVM、JRockit以及IBM的JVM。說到JVM調優，默認指的就是Hotspot VM，足見其流行程度。如今搞Java不去了解JVM就顯得有點low了-v-。

要想寫出高質量代碼，不僅要了解JVM，像調優，問題排查等都需要完備的計算機基礎知識，其實無論用什麼語言開發，都是一個構建和完善自身計算機知識體系

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