JAVA虚拟机工作原理

火龙果整理uml.org.cn淘宝技术大学应届生培训JVM工作原理课程组：雷卷小邪九穆版本：第一版2009年火龙果整理uml.org.cn达到的目标知道Java虚拟机的生存周期知道JVM的体系结构知道JVM体系结构中的各个部分能对JVM有个大致清晰的了解火龙果整理uml.org.cn内容JVM的生命周期JVM的体系结构JVM类加载器JVM执行引擎JVM运行时数据区JVM垃圾回收问题火龙果整理uml.org.cnJVM的生命周期一、首先分析两个概念JVM实例和JVM执行引擎实例（1）JVM实例对应了一个独立运行的java程序它是进程级别（2）JVM执行引擎实例则对应了属于用户运行程序的线程它是线程级别的火龙果整理uml.org.cnJVM的生命周期二、JVM的生命周期（1）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publicstaticvoidmain(String[]args)函数的class都可以作为JVM实例运行的起点（2）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。（3）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。火龙果整理uml.org.cn内容JVM的生命周期JVM的体系结构JVM类加载器JVM执行引擎JVM运行时数据区JVM垃圾回收问题火龙果整理uml.org.cnJVM的体系结构火龙果整理uml.org.cnJVM的体系结构一、JVM的内部体系结构分为三部分，（1）类装载器（ClassLoader）子系统作用:用来装载.class文件（2）执行引擎作用:执行字节码，或者执行本地方法（3）运行时数据区方法区，堆，java栈，PC寄存器，本地方法栈火龙果整理uml.org.cn内容JVM的生命周期JVM的体系结构JVM类加载器JVM执行引擎JVM运行时数据区JVM垃圾回收问题火龙果整理uml.org.cnJVM的体系结构之类加载器一、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：调用了new；反射调用了类中的方法；子类调用了初始化；JVM启动过程中指定的初始化类。火龙果整理uml.org.cnJVM的体系结构之类加载器火龙果整理uml.org.cnJVM的体系结构之类加载器一、JVM两种类装载器包括：启动类装载器和用户自定义类装载器，启动类装载器是JVM实现的一部分，用户自定义类装载器则是Java程序的一部分，必须是ClassLoader类的子类。二、主要分为以下几类：(1)BootstrapClassLoader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（SunJDK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)ExtensionClassLoaderJVM用此classloader来加载扩展功能的一些jar包(3)SystemClassLoaderJVM用此classloader来加载启动参数中指定的Classpath中的jar包以及目录，在SunJDK中ClassLoader对应的类名为AppClassLoader。(4)User-DefinedClassLoaderUser-DefinedClassLoader是Java开发人员继承ClassLoader抽象类自行实现的ClassLoader，基于自定义的ClassLoader可用于加载非Classpath中的jar以及目录火龙果整理uml.org.cnJVM的体系结构之类加载器三、ClassLoader抽象类提供了几个关键的方法：（1）loadClass此方法负责加载指定名字的类，ClassLoader的实现方法为先从已经加载的类中寻找，如没有则继续从parentClassLoader中寻找，如仍然没找到，则从SystemClassLoader中寻找，最后再调用findClass方法来寻找，如要改变类的加载顺序，则可覆盖此方法（2）findLoadedClass此方法负责从当前ClassLoader实例对象的缓存中寻找已加载的类，调用的为native的方法。（3）findClass此方法直接抛出ClassNotFoundException，因此需要通过覆盖loadClass或此方法来以自定义的方式加载相应的类。(4)findSystemClass此方法负责从SystemClassLoader中寻找类，如未找到，则继续从BootstrapClassLoader中寻找，如仍然为找到，则返回null。(5)defineClass此方法负责将二进制的字节码转换为Class对象(6)resolveClass此方法负责完成Class对象的链接，如已链接过，则会直接返回。火龙果整理uml.org.cnJVM的体系结构之类加载器四、简单的classLoader例子•/*•*重写ClassLoader类的findClass方法，将一个字节数组转换为Class类的实例•*/•publicClass?findClass(Stringname)throwsClassNotFoundException{•byte[]b=null;•try{•b=loadClassData(AutoClassLoader.FormatClassName(name));•}catch(Exceptione){•e.printStackTrace();•}•returndefineClass(name,b,0,b.length);•}•/*•*将指定路径的.class文件转换成字节数组•*/•privatebyte[]loadClassData(Stringfilepath)throwsException{•intn=0;•BufferedInputStreambr=newBufferedInputStream(newFileInputStream(newFile(filepath)));•ByteArrayOutputStreambos=newByteArrayOutputStream();•while((n=br.read())!=-1){•bos.write(n);•}•br.close();•returnbos.toByteArray();•}火龙果整理uml.org.cnJVM的体系结构之类加载器四、简单的classLoader例子•/*•*格式化文件所对应的路径•*/•publicstaticStringFormatClassName(Stringname){••FILEPATH=DEAFAULTDIR+name+.class;•returnFILEPATH;•}••/*•*main方法测试•*/•publicstaticvoidmain(String[]args)throwsException{••AutoClassLoaderacl=newAutoClassLoader();•Classc=acl.findClass(testClass);•Objectobj=c.newInstance();•Methodm=c.getMethod(getName,newClass[]{String.class,int.class});•m.invoke(obj,你好,123);•System.out.println(c.getName());•System.out.println(c.getClassLoader());•System.out.println(c.getClassLoader().getParent());•}火龙果整理uml.org.cn内容JVM的生命周期JVM的体系结构JVM类加载器JVM执行引擎JVM运行时数据区JVM垃圾回收问题火龙果整理uml.org.cnJVM的体系结构之执行引擎一、JVM通过执行引擎来完成字节码的执行，在执行过程中JVM采用的是自己的一套指令系统，每个线程在创建后，都会产生一个程序计数器（pc）和栈（Stack），其中程序计数器中存放了下一条将要执行的指令，Stack中存放StackFrame，表示的为当前正在执行的方法，每个方法的执行都会产生StackFrame，StackFrame中存放了传递给方法的参数、方法内的局部变量以及操作数栈，操作数栈用于存放指令运算的中间结果，指令负责从操作数栈中弹出参与运算的操作数，指令执行完毕后再将计算结果压回到操作数栈，当方法执行完毕后则从Stack中弹出，继续其他方法的执行。在执行方法时JVM提供了invokestatic、invokevirtual、invokeinterface和invokespecial四种指令来执行（1）invokestatic：调用类的static方法（2）invokevirtual：调用对象实例的方法（3）invokeinterface：将属性定义为接口来进行调用（4）invokespecial：JVM对于初始化对象（Java构造器的方法为：init）以及调用对象实例中的私有方法时。火龙果整理uml.org.cnJVM的体系结构之执行引擎二、反射机制是Java的亮点之一，基于反射可动态调用某对象实例中对应的方法、访问查看对象的属性等，而无需在编写代码时就确定需要创建的对象，这使得Java可以实现很灵活的实现对象的调用，代码示例如下：ClassactionClass=Class.forName(外部实现类);Methodmethod=actionClass.getMethod(“execute”,null);Objectaction=actionClass.newInstance();method.invoke(action,null);反射的关键：要实现动态的调用，最明显的方法就是动态的生成字节码，加载到JVM中并执行火龙果整理uml.org.cnJVM的体系结构之执行引擎（1）ClassactionClass=Class.forName(外部实现类);调用本地方法，使用调用者所在的ClassLoader来加载创建出Class对象；（2）Methodmethod=actionClass.getMethod(“execute”,null);校验此Class是否为public类型的，以确定类的执行权限，如不是public类型的，则直接抛出SecurityException；调用privateGetDeclaredMethods来获取到此Class中所有的方法，在privateGetDeclaredMethods对此Class中所有的方法的集合做