JVM_工作原理

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JVM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JVM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。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JVM的体系结构JVM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JVM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。JVM的体系结构之类加载器JVM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JVM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。JVM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();•}JVM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());•}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JVM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。JVM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JVM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了缓存，在第一次时会调用本地方法去获取；扫描方法集合列表中是否有相同方法名以及参数类型的方法，如有则复制生成一个新的Method对象返回；如没有则继续扫描父类、父接口中是否有此方法，如仍然没找到方法则抛出NoSuchMethodException；JVM的体系结构之执行引擎（3）Objectaction=actionClass.newInstance();第一步：校验此Class是否为public类型，如权限不足则直接抛出SecurityException；第二步：如没有缓存的构造器对象，则调用本地方法获取到构造器，并复制生成一个新的构造器对象，放入缓存，如没有空构造器则抛出Instantiation