深解JVM 1-Java虚拟机基本原理

【一次编译，到处运行】

 

Java 虚拟机具体是怎样运行 Java 字节码的？

从虚拟机视角来看，执行 Java 代码首先需要将它编译而成的 class 文件加载到 Java 虚拟机中。加载后的 Java 类会被存放于方法区（Method Area）中。实际运行时，虚拟机会执行方法区内的代码。

Java 虚拟机会将栈细分为面向 Java 方法的 Java 方法栈，面向本地方法（用 C++ 写的 native 方法）的本地方法栈，以及存放各个线程执行位置的 PC 寄存器。在运行过程中，每当调用进入一个 Java 方法，Java 虚拟机会在当前线程的 Java 方法栈中生成一个栈帧，用以存放局部变量以及字节码的操作数。这个栈帧的大小是提前计算好的，而且 Java 虚拟机不要求栈帧在内存空间里连续分布。当退出当前执行的方法时，不管是正常返回还是异常返回，Java 虚拟机均会弹出当前线程的当前栈帧，并将之舍弃。

从硬件视角来看，Java 字节码无法直接执行。因此，Java 虚拟机需要将字节码翻译成机器码。在 HotSpot 里面，上述翻译过程有两种形式：第一种是解释执行，即逐条将字节码翻译成机器码并执行；第二种是即时编译（Just-In-Time compilation，JIT），即将一个方法中包含的所有字节码编译成机器码后再执行。前者的优势在于无需等待编译，而后者的优势在于实际运行速度更快。HotSpot 默认采用混合模式，综合了解释执行和即时编译两者的优点。它会先解释执行字节码，而后将其中反复执行的热点代码，以方法为单位进行即时编译。

 

Java 的基本类型

类型  　　存储要求 　　　范围（包含）  默认值  包装类
整 int 　4字节（32位） -231~ 231-1 0 Integer
数 short 2字节（16位） -215~215-1 0 Short
类 long  8字节（64位） -263~263-1 0 Long
型 byte   1字节（8位） -27~27-1 0 Byte
浮点 float 4字节（32位） -3.4e+38 ~ 3.4e+38 0.0f Float
类型 double 8字节（64位） -1.7e+308 ~ 1.7e+308 0 Double
字符 char    2字节（16位） u0000~uFFFF（‘’~‘？’） ‘0’ Character
   （0~216-1（65535））  
布尔 boolean   1/8字节（1位） true, false FALSE Boolean (理论上占用1bit,1/8字节，实际处理按1byte处理)  

Java虚拟机是如何加载Java类的?

Java 虚拟机将字节流转化为 Java 类的过程。这个过程可分为加载、链接以及初始化三大步骤。

加载是指查找字节流，并且据此创建类的过程。加载需要借助类加载器，在 Java 虚拟机中，类加载器使用了双亲委派模型，即接收到加载请求时，会先将请求转发给父类加载器。

链接，是指将创建成的类合并至 Java 虚拟机中，使之能够执行的过程。链接还分验证、准备和解析三个阶段。其中，解析阶段为非必须的。

初始化，则是为标记为常量值的字段赋值，以及执行 < clinit > 方法的过程。类的初始化仅会被执行一次，这个特性被用来实现单例的延迟初始化。

Java代码经过编译后形成的.class文件，需要加载到虚拟机后才能运行。我们将.class文件加载到虚拟机的过程称之为类加载机制。
一个类经过类加载机制加载到内存，然后从内存中卸载是这个类的生命周期。整个类的生命周期包含了七个阶段，如下图所示：

《Java虚拟机规范》中严格规定了一下六种情况下，需要对类立刻进行初始化：

1、遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 这 4 条字节码指令；
2、使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时候；
3、当初始化一个类的时候，发现其父类还没有进行初始化的时候，需要先触发其父类的初始化；
4、当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类，虚拟机会先初始化这个类；
5、当使用 JDK 1.7 的动态语言支持时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有初始化。
6、当一个接口中定义了JDK 8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口方法）时，如果有这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。

那么什么情况下，不会对类初始化呢？

1、通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类的初始化；
2、通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化；
3、常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化

双亲委派模型
从开发者的角度，我们可以将类加载器分成3个类型，分别是：

启动类加载器；
扩展类加载器；
应用程序类记载器。

前两个是加载JDK中的 jre\lib 和 jre\lib\ext 目录中的类库中，最后一个是用来加载我们自研的类。

双亲委派模型如下图所示：

 

 

 垃圾回收

垃圾-就是无用对象所占用的堆内存空间 垃圾分类-貌似不需要垃圾分类，识别垃圾并回收就行 定位垃圾-是垃圾回收的关键点，无用的对象占用的堆空间即是垃圾，那就需要先定位无用的对象，这里的无用是不再使用的意思，咋判断呢？介绍两种方法，计数法和标记法（祥看原文）核心在于能定位出无用的对象，后出现的方法往往比早出现的更好一点，这里也一样，标记法能解决计数法，解决不了的循环引用不能回收的问题，但是也存在其他的问题，误报和漏报的问题，误报浪费点垃圾回收的机会浪费点空间，漏报在多线程并发工作时可能会死JVM的，所以，比较严重，所以，JVM采用了简单粗暴的stop-the-world的方式来对待，所以，老年代的回收有卡顿的现象

怎么回收垃圾-定位出垃圾，回收就是一个简单的事情了，当然也非常关键，把要回收的堆内存空间标记为可继续使用就行，下次有新对象能在此空间创建就行

回收垃圾的方法-介绍三种，清除、压缩、复制

清除法-简单，但易产生碎片，可能总空间够但分配不了的问题

压缩法-能解决清除法的问题，但是复杂且耗性能

复制法-折衷一些，但是空间利用率低，总之，各有千秋。

总结