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眾所周知，Java源代碼被編譯器編譯成class文件。而并不是底層操作系統(tǒng)可以直接執(zhí)行的二進(jìn)制指令(比如Windows OS的.exe文件)。因此，我們需要有一種平臺可以解釋class文件并運(yùn)行它。而做到這一點(diǎn)的正是Java 虛擬機(jī)(JVM)。

實(shí)際上， JVM是一種解釋執(zhí)行class文件的規(guī)范技術(shù)。各個(gè)提供商都可以根據(jù)規(guī)范，在不同的底層平臺上實(shí)現(xiàn)不同的JVM。

下面是JVM實(shí)現(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)框圖。其中類裝載子系統(tǒng)、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)、執(zhí)行引擎等是JVM的必須要解決的幾大問題。

★ 類裝載器子系統(tǒng)
在JVM中，類裝載器子系統(tǒng)負(fù)責(zé)查找并裝載Class文件。關(guān)于這部分的裝載細(xì)節(jié)詳見《 JVM加載class文件的原理》

★ 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)
當(dāng)Java虛擬機(jī)運(yùn)行一個(gè)程序時(shí)，需要內(nèi)存在存儲許多東西。比如字節(jié)碼，程序創(chuàng)建的對象，傳遞的方法參數(shù)，返回值，局部變量等等。JVM會(huì)把這些東西都組織到幾個(gè)“運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)”中便于管理。
(1) 方法區(qū)
當(dāng)JVM使用類裝載器定位Class文件，并將其輸入到內(nèi)存中時(shí)。會(huì)提取Class文件的類型信息，并將這些信息存儲到方法區(qū)中。同時(shí)放入方法取中的還有該類型中的類靜態(tài)變量。下面我們具體看看需要存儲哪些信息？
●該類型的全限定名。如java.io.FileOutputStream
●該類型的直接超類的全限定名。如java.io.OutputStream
●該類型是類類型還是接口類型。
●該類型的訪問修飾符(public、abstract、final)。
●任何直接超接口的全限定名的有序列表。如java.io.Closeable,? java.io.Flushable。
●該類型的常量池。比如所有類型、方法和字段的符號。基本數(shù)據(jù)類型的直接數(shù)值等。
●字段信息。對類型中聲明的每個(gè)字段，方法區(qū)中必須保存下面的信息。除此之外，這些字段在類或者接口中的聲明順尋也必須保存。

????? 字段名

????? 字段的類型

????? 字段的修飾符(public, private, protected, static, final, volatile, transient的某個(gè)子集)

●方法信息。和字段一樣保存方法的相關(guān)信息。

????? 方法名

????? 方法的返回類型

????? 方法的參數(shù)的數(shù)量和類型

????? 方法的修飾符

????? 方法的字節(jié)碼

????? 操作數(shù)棧和棧幀中局部變量的大小 (見下面Java棧的內(nèi)容)

????? 異常表
●類靜態(tài)變量。這里要注意：類中的靜態(tài)變量時(shí)存放在方法區(qū)中的。并不是存放在堆中某一個(gè)該類型的對象中的。也就是我們常說的“類靜態(tài)變量屬于類，而不屬于對象”這句話的由來了。
●指向ClassLoader類的引用。任何類都需要被類裝載器裝入內(nèi)存。如果是被用戶自定義類裝載器裝載的，那么JVM必須在類型信息中存儲對該裝載器對象的引用。

●指向Class類的引用。對于每一個(gè)被裝載的類型，虛擬機(jī)都會(huì)相應(yīng)的為它創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class類的實(shí)例，而且虛擬機(jī)還必須以某種方式把這個(gè)實(shí)例和存儲在方法區(qū)中的類型信息關(guān)聯(lián)起來。這就使得我們可以在程序運(yùn)行時(shí)查看某個(gè)加載進(jìn)內(nèi)存的類的當(dāng)前狀態(tài)信息。也就是反射機(jī)制實(shí)現(xiàn)的根本。

●方法表。為了能快速定位到類型中的某個(gè)方法。JVM對每個(gè)裝載的類型都會(huì)建立一個(gè)方法表，用于存儲該類型對象可以調(diào)用的方法的直接引用，這些方法就包括從超類中繼承來的。而這張表與 Java動(dòng)態(tài)綁定機(jī)制( 參見《 java動(dòng)態(tài)綁定機(jī)制實(shí)現(xiàn)多態(tài) 》 )的實(shí)現(xiàn)是密切相關(guān)的。

方法區(qū)是多線程共享的。也就是當(dāng)虛擬機(jī)實(shí)例開始運(yùn)行程序時(shí)，邊運(yùn)行邊加載進(jìn)Class文件。不同的Class文件都會(huì)提取出不同類型信息存放在方法區(qū)中。同樣，方法區(qū)中不再需要運(yùn)行的類型信息會(huì)被垃圾回收線程丟棄掉。右圖形象的顯示出了方法區(qū)的樣子。

(2) 堆

Java 程序在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建的所有類型對象和數(shù)組都存儲在堆中。JVM會(huì)根據(jù)new指令在堆中開辟一個(gè)確定類型的對象內(nèi)存空間。但是堆中開辟對象的空間并沒有任何人工指令可以回收，而是通過JVM的垃圾回收器負(fù)責(zé)回收。

堆中對象存儲的是該對象以及對象所有超類的實(shí)例數(shù)據(jù)(但不是靜態(tài)數(shù)據(jù))，比如下面的類型：

class X{

??? private int data;

??? private static int stcdata=0;

??? public X(int d){

???????? this.data=d;

??? }

}

X x1=new X(100);

X x2=new X(200);

這樣在堆中開辟了兩個(gè)對象x1和x2的內(nèi)存空間。其中x1中的一個(gè)實(shí)例數(shù)據(jù)data=100，而x2的data=200。但是這兩個(gè)對象中都沒有stcdata這樣的數(shù)據(jù)，這個(gè)靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲在上面講到的方法區(qū)中。

此外，堆中對象還必須有指向方法區(qū)中的類信息數(shù)據(jù)(見上面方法區(qū))。為什么需要這個(gè)信息呢？因?yàn)楫?dāng)程序在運(yùn)行時(shí)需要對象轉(zhuǎn)型，那么JVM必須檢查當(dāng)前對象所屬類型及父類的信息。以判斷轉(zhuǎn)型是否是合法的，而這一點(diǎn)也是instanceof操作符實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

當(dāng)然，上述只是JVM的規(guī)范，具體堆的實(shí)現(xiàn)是由JVM設(shè)計(jì)者來決定。下面兩幅圖就直觀的表現(xiàn)出了堆對象的不同實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)：

其中一個(gè)對象的引用可能在整個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)中的很多地方存在，比如Java棧，堆，方法區(qū)等。

堆中對象還應(yīng)該關(guān)聯(lián)一個(gè)對象的鎖數(shù)據(jù)信息以及線程的等待集合。這些都是實(shí)現(xiàn)Java線程同步機(jī)制的基礎(chǔ)。但實(shí)際上很多具體實(shí)現(xiàn)中并不在對象自身內(nèi)部保存一個(gè)指向鎖數(shù)據(jù)的指針。而只有當(dāng)?shù)谝淮涡枰渔i的時(shí)候才分配對應(yīng)鎖數(shù)據(jù)。另外，每個(gè)對象都會(huì)從Object中繼承三個(gè)Object方法(wait、notify、notifyAll)，當(dāng)某個(gè)線程在一個(gè)對象上調(diào)用了等待方法時(shí)。JVM就會(huì)阻塞這個(gè)線程，并把這個(gè)線程放在該對象的等待集合中。知道另外一個(gè)線程在該對象上調(diào)用了notify/notifyAll，JVM才會(huì)在等待集合中喚醒一個(gè)或全部的等待線程(參見《正確理解線程等待和釋放(wait/notify) 》)。

【數(shù)組對象】

在Java中，數(shù)組也是對象，那么自然在堆中會(huì)存儲數(shù)組的信息。事實(shí)也確實(shí)如此，對于JVM而言，數(shù)組與其他類對象沒有任何區(qū)別。

數(shù)組也有屬于的類Class，具有相同維度和類型的數(shù)組都是同一個(gè)類的實(shí)例，而不管數(shù)組的長度是多少。

數(shù)組類的名稱由兩部分構(gòu)成：(1)每一維用一個(gè)方括號“[”表示。(2) 用字符或字符串表示元素類型。比如一維數(shù)組對象int[] a所屬類型名為"[I"，二維數(shù)組對象byte[] b所屬類型名為"[[B"。

下圖是二維數(shù)組對象在堆中的具體實(shí)現(xiàn)方式：

(3) 程序計(jì)數(shù)器

對于一個(gè)運(yùn)行的Java而言，每一個(gè)線程都有一個(gè)PC寄存器。當(dāng)線程執(zhí)行Java程序時(shí)，PC寄存器的內(nèi)容總是下一條將被執(zhí)行的指令地址。

(4) Java棧 -? 棧幀

每啟動(dòng)一個(gè)線程，JVM都會(huì)為它分配一個(gè)Java棧，用于存放方法中的局部變量，操作數(shù)以及異常數(shù)據(jù)等。當(dāng)線程調(diào)用某個(gè)方法時(shí)，JVM會(huì)根據(jù)方法區(qū)中該方法的字節(jié)碼組建一個(gè)棧幀。并將該棧幀壓入Java棧中，方法執(zhí)行完畢時(shí)，JVM會(huì)彈出該棧幀并釋放掉。

注意，Java棧中的數(shù)據(jù)是線程私有的，一個(gè)線程是無法訪問另一個(gè)線程的Java棧的數(shù)據(jù)。這也就是為什么多線程編程時(shí)，兩個(gè)相同線程執(zhí)行同一方法時(shí)，對方法內(nèi)的局部變量時(shí)不需要數(shù)據(jù)同步的原因。

【棧幀】

棧幀有三部分構(gòu)成：局部變量區(qū)、操作數(shù)棧和幀數(shù)據(jù)區(qū)。在編譯器編譯Java代碼時(shí)，就已經(jīng)在字節(jié)碼中為每個(gè)方法都設(shè)置好了局部變量區(qū)和操作數(shù)棧的數(shù)據(jù)和大小。并在JVM首次加載方法所屬的Class文件時(shí)，就將這些數(shù)據(jù)放進(jìn)了方法區(qū)。因此在線程調(diào)用方法時(shí)，只需要根據(jù)方法區(qū)中的局部變量區(qū)和操作數(shù)棧的大小來分配一個(gè)新的棧幀的內(nèi)存大小，并堆入Java棧。

局部變量區(qū)：用來存放方法中的所有局部變量值，包括傳遞的參數(shù)。這些數(shù)據(jù)會(huì)被組織成以一個(gè)字長(32bit或64bit)為單位的數(shù)組結(jié)構(gòu)(以索引0開始)中。其中類型為int, float, reference(引用類型，記錄對象在堆中地址)和returnAddress(一種JVM內(nèi)部使用的基本類型)的值占用1個(gè)字長，而byte, char和shot會(huì)擴(kuò)大成1個(gè)字長存儲，long，double則使用2個(gè)字長。

操作數(shù)棧：用來在執(zhí)行指令的時(shí)候存儲和使用中間結(jié)果數(shù)據(jù)。

幀數(shù)據(jù)區(qū)：常量池的解析，正常方法返回以及異常派發(fā)機(jī)制的信息數(shù)據(jù)都存儲在其中。

下圖展示了addAndPrint()調(diào)用addTwoTypes()時(shí)，Java棧的變化：

★ 執(zhí)行引擎

運(yùn)行Java的每一個(gè)線程都是一個(gè)獨(dú)立的虛擬機(jī)執(zhí)行引擎的實(shí)例。從線程生命周期的開始到結(jié)束，他要么在執(zhí)行字節(jié)碼，要么在執(zhí)行本地方法。一個(gè)線程可能通過解釋或者使用芯片級指令直接執(zhí)行字節(jié)碼，或者間接通過JIT執(zhí)行編譯過的本地代碼。

指令集： 實(shí)際上，Class文件中方法的字節(jié)碼流就是有JVM的指令序列構(gòu)成的。每一條指令包含一個(gè)單字節(jié)的操作碼，后面跟隨0個(gè)或多個(gè)操作數(shù)。

Java虛擬機(jī)指令集關(guān)注的中心是操作數(shù)棧和局部變量集合。我們可以看看下面一組指令在執(zhí)行引擎中執(zhí)行的過程：

    iload_0    // 把存儲在局部變量區(qū)中索引為0的整數(shù)壓入操作數(shù)棧。
iload_1    // 把存儲在局部變量區(qū)中索引為1的整數(shù)壓入操作數(shù)棧。
iadd         // 從操作數(shù)棧中彈出兩個(gè)整數(shù)相加，在將結(jié)果壓入操作數(shù)棧。
istore_2   // 從操作數(shù)棧中彈出結(jié)果

很顯然，上面的指令反復(fù)用到了Java棧中的某一個(gè)方法棧幀。實(shí)際上執(zhí)行引擎運(yùn)行Java字節(jié)碼指令很多時(shí)候都是在不停的操作Java棧，也有的時(shí)候需要在堆中開辟對象以及運(yùn)行系統(tǒng)的本地指令等。但是Java棧的操作要比堆中的操作要快的多，因此反復(fù)開辟對象是非常耗時(shí)的。這也是為什么Java程序優(yōu)化的時(shí)候，盡量減少new對象。

下面將會(huì)是很有趣的過程，我們用一段代碼來生動(dòng)的展現(xiàn)JVM是如何運(yùn)行這段程序的。

通過編譯器將下面的代碼編譯成edu/hr/jvm/Test.class 和 edu/hr/jvm/bean/Act.class。然后開始啟動(dòng)JVM：

    //源代碼 Test.java
package edu.hr.jvm;

import edu.hr.jvm.bean;
public class Test{
       public static void main(String[] args){
               Act act=new Act();
               act.doMathForever();
       }
}

//源代碼 Act.java
package edu.hr.jvm.bean;

public class Act{
       public void doMathForever(){
              int i=0;
              for(;;){
                     i+=1;
                     i*=2; 
              }
       }
}

(1) 首先OS會(huì)創(chuàng)建一個(gè)JVM實(shí)例(進(jìn)行必要的初始化工作，比如初始啟動(dòng)類裝載器，初始運(yùn)行時(shí)內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)等)。

(2) 然后通過自定義類裝載器加載Test.class。并提取Test.class字節(jié)碼中的信息存放在方法區(qū) 中(具體的信息在上面已經(jīng)講過)。右圖展示了方法區(qū)中的Test類信息，其中在常量池中有一個(gè)符號引用"Act"(注意：這個(gè)引用目前還沒有真正的類信息的內(nèi)存地址)。

(3) 接著JVM開始從Test類的main字節(jié)碼處開始解釋執(zhí)行。在運(yùn)行之前，會(huì)在Java棧中組建一個(gè)main方法的棧幀。如右圖Java棧所示。JVM需要運(yùn)行任何方法前，通過在 Java棧中壓入一個(gè)幀棧。在這個(gè)幀棧的內(nèi)存區(qū)域中進(jìn)行計(jì)算。

(4) 現(xiàn)在可以開始執(zhí)行main方法的第一條指令——JVM需要為常量池的第一項(xiàng)的類(符號引用Act)分配內(nèi)存空間。但是Act類此時(shí)還沒有加載進(jìn)JVM(因?yàn)槌Ａ砍啬壳爸挥幸粋€(gè)"Act"的符號引用)。

(5) JVM加載進(jìn)Act.class，并提取Act 類信息放入方法區(qū)中。見上圖方法區(qū)所示，然后以一個(gè)直接指向方法區(qū)Act類信息的直接引用替換開始在常量池中的符號引用"Act"，這個(gè)過程就是常量池解析。以后就可以直接訪問Act的類信息了。

(6) 此時(shí)JVM可以根據(jù)方法區(qū)中的Act類信息，在堆中開辟一個(gè)Act 類對象 act。見上圖堆所示。

(7) 接著開始執(zhí)行main方法中的第二條指令調(diào)用doMathForever。這個(gè)可以通過堆中act對象所指的方法表中查找，然后定位到方法區(qū)中的Act類信息中的doMathForever方法字節(jié)碼。在運(yùn)行之前，仍然要組建一個(gè)doMathForever棧幀壓入Java棧，如上圖所示。(注意：JVM會(huì)根據(jù)方法區(qū)中doMathForever的字節(jié)碼來創(chuàng)建棧幀的局部變量區(qū)和操作數(shù)棧的大小)

(8) 接下來JVM開始解釋運(yùn)行Act.doMathForever字節(jié)碼的內(nèi)容了。下面我們詳細(xì)的描述一下這個(gè)JVM的運(yùn)行過程：

● 我們首先看一下doMathForever方法的字節(jié)碼在方法區(qū)中的指令如右圖，其中bytecode是指令的二進(jìn)制編碼，mnemonic是指令助記符，pc為程序計(jì)數(shù)器 (指向當(dāng)前運(yùn)行指令的下一條)，offset為指令存放在方法區(qū)中的地址偏移。

●然后在上面的圖Java棧中已經(jīng)顯示出了doMathForever方法的棧幀，其中比較重要的兩個(gè)部分是局部變量區(qū) 和操作數(shù)棧。而此時(shí)在運(yùn)行指令之前，局部變量區(qū)中只有一個(gè)整型i 的存儲位置(1個(gè)字長)。而操作數(shù)棧中還沒有被創(chuàng)建了2個(gè)字長的大小(存儲大小是幀棧創(chuàng)建的時(shí)候由方法區(qū)中的數(shù)據(jù)確定的)。

?????????????????????? ?????? 局部變量區(qū)

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? (變量i) ???? 0???????????????????????????????????????????????

? optop: 0????????? ? ? ?? 操作數(shù)棧?????????

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?optop->??? 0

????????????????? 1

●? 下面運(yùn)行每一條指令后，看一下局部變量區(qū)和操作數(shù)棧的變化：

??? ① 指令[iconst_0]?? 將int類型變量的數(shù)據(jù)0壓入操作數(shù)棧。

?????????????????????? ?????? 局部變量區(qū)????????????????????????????????????? ? ? ? ? ? ? ???????? ? ? ?? 操作數(shù)棧????