Java基础-JVM

 

jvm=》 java虚拟机

 

 

一、java虚拟机的生命周期：

　　Java虚拟机的生命周期 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序。程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止。你在同一台机器上运行三个程序，就会有三个运行中的Java虚拟机。 Java虚拟机总是开始于一个main()方法，这个方法必须是公有、返回void、直接受一个字符串数组。在程序执行时，你必须给Java虚拟机指明这个包换main()方法的类名。 Main()方法是程序的起点，他被执行的线程初始化为程序的初始线程。程序中其他的线程都由他来启动。

　　Java中的线程分为两种：守护线程 （daemon）和普通线程（non-daemon）。

　　守护线程是Java虚拟机自己使用的线程，比如负责垃圾收集的线程就是一个守护线程。当然，你也可 以把自己的程序设置为守护线程。包含Main()方法的初始线程不是守护线程。 只要Java虚拟机中还有普通的线程在执行，Java虚拟机就不会停止。如果有足够的权限，你可以调用exit()方法终止程序。

 

 二、java虚拟机的体系结构： 

　　  在Java虚拟机的规范中定义了一系列的子系统、内存区域、数据类型和使用指南。这些组件构成了Java虚拟机的内部结构，他们不仅仅为Java虚拟机的实现提供了清晰的内部结构，更是严格规定了Java虚拟机实现的外部行为。 
     每一个Java虚拟机都由一个类加载器子系统（class loader subsystem），负责加载程序中的类型（类和接口），并赋予唯一的名字。每一个Java虚拟机都有一个执行引擎（execution engine）负责执行被加载类中包含的指令。
     程序的执行需要一定的内存空间，如字节码、被加载类的其他额外信息、程序中的对象、方法的参数、返回值、本地变量、处理的中间变量等等。Java虚拟机将 这些信息统统保存在数据区（data areas）中。虽然每个Java虚拟机的实现中都包含数据区，但是Java虚拟机规范对数据区的规定却非常的抽象。许多结构上的细节部分都留给了 Java虚拟机实现者自己发挥。不同Java虚拟机实现上的内存结构千差万别。一部分实现可能占用很多内存，而其他以下可能只占用很少的内存；一些实现可能会使用虚拟内存，而其他的则不使用。这种比较精炼的Java虚拟机内存规约，可以使得Java虚拟机可以在广泛的平台上被实现。
     数据区中的一部分是整个程序共有，其他部分被单独的线程控制。每一个Java虚拟机都包含方法区（method area）和堆（heap），他们都被整个程序共享。Java虚拟机加载并解析一个类以后，将从类文件中解析出来的信息保存与方法区中。程序执行时创建的 对象都保存在堆中。 
     当一个线程被创建时，会被分配只属于他自己的PC寄存器“pc register”（程序计数器）和Java堆栈（Java stack）。当线程不掉用本地方法时，PC寄存器中保存线程执行的下一条指令。Java堆栈保存了一个线程调用方法时的状态，包括本地变量、调用方法的 参数、返回值、处理的中间变量。调用本地方法时的状态保存在本地方法堆栈中（native method stacks），可能再寄存器或者其他非平台独立的内存中。
     Java堆栈有堆栈块（stack frames (or frames)）组成。堆栈块包含Java方法调用的状态。当一个线程调用一个方法时，Java虚拟机会将一个新的块压到Java堆栈中，当这个方法运行结束时，Java虚拟机会将对应的块弹出并抛弃。
     Java虚拟机不使用寄存器保存计算的中间结果，而是用Java堆栈在存放中间结果。这是的Java虚拟机的指令更紧凑，也更容易在一个没有寄存器的设备上实现Java虚拟机。 

 

 三、类加载器子系统：

 　　Java虚拟机中的类加载器分为两种：原始类加载器（primordial class loader）和类加载器对象（class loader objects）。

原始类加载器是Java虚拟机实现的一部分。
类加载器对象是运行中的程序的一部分。
不同类加载器加载的类被不同的命名空间所分割。

 

 

 

 　　

　　类加载器调用了许多Java虚拟机中其他的部分和java.lang包中的很多类。比如，类加载对象就是java.lang.ClassLoader子类 的实例，ClassLoader类中的方法可以访问虚拟机中的类加载机制；每一个被Java虚拟机加载的类都会被表示为一个 java.lang.Class类的实例。像其他对象一样，类加载器对象和Class对象都保存在堆中，被加载的信息被保存在方法区中。

 　　

 1、加载、连接、初始化（Loading, Linking and Initialization）
类加载子系统不仅仅负责定位并加载类文件，他按照以下严格的步骤作了很多其他的事情：

1）、加载：寻找并导入指定类型（类和接口）的二进制信息
2）、连接：进行验证、准备和解析
               ①验证：确保导入类型的正确性
               ②准备：为类型分配内存并初始化为默认值
               ③解析：将字符引用解析为直接饮用
3）、初始化：调用Java代码，初始化类变量为合适的值

 

 

 

2、原始类加载器（The Primordial Class Loader）
     每个Java虚拟机都必须实现一个原始类加载器，他能够加载那些遵守类文件格式并且被信任的类。但是，Java虚拟机的规范并没有定义如何加载类，这由 Java虚拟机实现者自己决定。对于给定类型名的类型，原始莱加载器必须找到那个类型名加“.class”的文件并加载入虚拟机中。

 

 3、类加载器对象
     虽然类加载器对象是Java程序的一部分，但是ClassLoader类中的三个方法可以访问Java虚拟机中的类加载子系统。

          1）、protected final Class defineClass(…)：使用这个方法可以出入一个字节数组，定义一个新的类型。
          2）、protected Class findSystemClass(String name)：加载指定的类，如果已经加载，就直接返回。
          3）、protected final void resolveClass(Class c)：defineClass()方法只是加载一个类，这个方法负责后续的动态连接和初始化。

 

 

 

 4、命名空间
     当多个类加载器加载了同一个类时，为了保证他们名字的唯一性，需要在类名前加上加载该类的类加载器的标识。

 

 四、方法区：

 

　　在Java虚拟机中，被加载类型的信息都保存在方法区中。这写信息在内存中的组织形式由虚拟机的实现者定义，比如，虚拟机工作在一个“little- endian”的处理器上，他就可以将信息保存为“little-endian”格式的，虽然在Java类文件中他们是以“big-endian”格式保 存的。设计者可以用最适合并地机器的表示格式来存储数据，以保证程序能够以最快的速度执行。但是，在一个只有很小内存的设备上，虚拟机的实现者就不会占用 很大的内存。
     程序中的所有线程共享一个方法区，所以访问方法区信息的方法必须是线程安全的。如果你有两个线程都去加载一个叫Lava的类，那只能由一个线程被容许去加载这个类，另一个必须等待。
     在程序运行时，方法区的大小是可变的，程序在运行时可以扩展。有些Java虚拟机的实现也可以通过参数也订制方法区的初始大小，最小值和最大值。
     方法区也可以被垃圾收集。因为程序中的内由类加载器动态加载，所有类可能变成没有被引用（unreferenced）的状态。当类变成这种状态时，他就可 能被垃圾收集掉。没有加载的类包括两种状态，一种是真正的没有加载，另一个种是“unreferenced”的状态。详细信息参见第七章的类的生命周期 （The Lifetime of a Class）。

 

 

 五、堆：

 

当Java程序创建一个类的实例或者数组时，都在堆中为新的对象分配内存。虚拟机中只有一个堆，所有的线程都共享他。

 

1、垃圾收集（Garbage Collection）
     垃圾收集是释放没有被引用的对象的主要方法。它也可能会为了减少堆的碎片，而移动对象。在Java虚拟机的规范中没有严格定义垃圾收集，只是定义一个Java虚拟机的实现必须通过某种方式管理自己的堆。

 

2、对象存储结构（Object Representation）
     Java虚拟机的规范中没有定义对象怎样在堆中存储。每一个对象主要存储的是他的类和父类中定义的对象变量。对于给定的对象的引用，虚拟机必须嫩耨很快的 定位到这个对象的数据。另为，必须提供一种通过对象的引用方法对象数据的方法，比如方法区中的对象的引用，所以一个对象保存的数据中往往含有一个某种形式 指向方法区的指针。
     一个可能的堆的设计是将堆分为两个部分：引用池和对象池。一个对象的引用就是指向引用池的本地指针。每一个引用池中的条目都包含两个部分：指向对象池中对 象数据的指针和方法区中对象类数据的指针。这种设计能够方便Java虚拟机堆碎片的整理。当虚拟机在对象池中移动一个对象的时候，只需要修改对应引用池中 的指针地址。但是每次访问对象的数据都需要处理两次指针。下图演示了这种堆的设计。在第九章的“垃圾收集”中的HeapOfFish Applet演示了这种设计。 
     另一种堆的设计是：一个对象的引用就是一个指向一堆数据和指向相应对象的偏移指针。这种设计方便了对象的访问，可是对象的移动要变的异常复杂。下图演示了这种设计 
     当程序试图将一个对象转换为另一种类型时，虚拟机需要判断这种转换是否是这个对象的类型，或者是他的父类型。当程序适用instanceof语句的时候也 会做类似的事情。当程序调用一个对象的方法时，虚拟机需要进行动态绑定，他必须判断调用哪一个类型的方法。这也需要做上面的判断。
     无论虚拟机实现者使用哪一种设计，他都可能为每一个对象保存一个类似方法列表的信息。因为他可以提升对象方法调用的速度，对提升虚拟机的性能非常重要，但 是虚拟机的规范中比没有要求必须实现类似的数据结构。下图描述了这种结构。图中显示了一个对象引用相关联的所有的数据结构，包括：
          1）、一个指向类型数据的指针
          2）、一个对象的方法列表。方法列表是一个指向所有可能被调用对象方法的指针数组。方法数据包括三个部分：操作码堆栈的大小和方法堆栈的本地变量区；方法的字节码；异常列表。
          每一个Java虚拟机中的对象必须关联一个用于同步多线程的lock(mutex)。同一时刻，只能有一个对象拥有这个对象的锁。当一个拥有这个这个对象 的锁，他就可以多次申请这个锁，但是也必须释放相应次数的锁才能真正释放这个对象锁。很多对象在整个生命周期中都不会被锁，所以这个信息只有在需要时才需 要添加。很多Java虚拟机的实现都没有在对象的数据中包含“锁定数据”，只是在需要时才生成相应的数据。除了实现对象的锁定，每一个对象还逻辑关联到一 个“wait set”的实现。锁定帮组线程独立处理共享的数据，不需要妨碍其他的线程。“wait set”帮组线程协作完成同一个目标。“wait set”往往通过Object类的wait()和notify()方法来实现。 
     垃圾收集也需要堆中的对象是否被关联的信息。Java虚拟机规范中指出垃圾收集一个运行一个对象的finalizer方法一次，但是容许 finalizer方法重新引用这个对象，当这个对象再次不被引用时，就不需要再次调用finalize方法。所以虚拟机也需要保存finalize方法 是否运行过的信息。更多信息参见第九章的“垃圾收集”

     3、数组的保存（Array Representation）
在Java 中，数组是一种完全意义上的对象，他和对象一样保存在堆中、有一个指向Class类实例的引用。所有同一维度和类型的数组拥有同样的Class，数组的长 度不做考虑。对应Class的名字表示为维度和类型。比如一个整型数据的Class为“[I”，字节型三维数组Class名为“[[[B”，两维对象数据 Class名为“[[Ljava.lang.Object”。
     数组必须在堆中保存数组的长度，数组的数据和一些对象数组类型数据的引用。通过一个数组引用的，虚拟机应该能够取得一个数组的长度，通过索引能够访问特定 的数据，能够调用Object定义的方法。Object是所有数据类的直接父类。

 

 JVM自身的物理结构

 

 

 

此图看出jvm内存结构

JVM内存结构主要包括两个子系统和两个组件。两个子系统分别是Classloader子系统和Executionengine(执行引擎)子系统；两个组件分别是Runtimedataarea(运行时数据区域)组件和Nativeinterface(本地接口)组件。

Classloader子系统的作用：

根据给定的全限定名类名(如java.lang.Object)来装载class文件的内容到Runtimedataarea中的methodarea(方法区域)。Java程序员可以extendsjava.lang.ClassLoader类来写自己的Classloader。

Executionengine子系统的作用：

执行classes中的指令。任何JVMspecification实现(JDK)的核心都是Executionengine，不同的JDK例如Sun的JDK和IBM的JDK好坏主要就取决于他们各自实现的Executionengine的好坏。

Nativeinterface组件：

与nativelibraries交互，是其它编程语言交互的接口。当调用native方法的时候，就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界，所以也很容易出现JVM无法控制的nativeheapOutOfMemory。

RuntimeDataArea组件：

这就是我们常说的JVM的内存了。它主要分为五个部分——

1、Heap(堆)：一个Java虚拟实例中只存在一个堆空间

2、MethodArea(方法区域)：被装载的class的信息存储在Methodarea的内存中。当虚拟机装载某个类型时，它使用类装载器定位相应的class文件，然后读入这个class文件内容并把它传输到虚拟机中。

3、JavaStack(java的栈)：虚拟机只会直接对Javastack执行两种操作：以帧为单位的压栈或出栈

4、ProgramCounter(程序计数器)：每一个线程都有它自己的PC寄存器，也是该线程启动时创建的。PC寄存器的内容总是指向下一条将被执行指令的饿地址，这里的地址可以是一个本地指针，也可以是在方法区中相对应于该方法起始指令的偏移量。

5、Nativemethodstack(本地方法栈)：保存native方法进入区域的地址