JVM 整体流程介绍

一、 JVM自身的物理结构

从图中可以看出 JVM 的主要组成部分

ClassLoader（类加载器），Runtime Data Area（运行时数据区，内存分区），Execution Engine（执行引擎），Native Method Library（本地库接口）

这四大组成部分可以用文字描述如下。JVM 是执行 Java 程序的虚拟计算机系统，然后我们来看看执行过程：首先需要准备编译好的 Java 字节码文件（即class文件），计算机要运行程序需要先通过 类加载器 将 class 文件加载到内存中，即 运行时数据区，但是字节码文件是JVM定义的一套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解释器，也就是 执行引擎 将字节码翻译成特定的操作系统指令集交给 CPU 去执行，这个过程中会需要调用到一些不同语言为 Java 提供的接口（例如驱动、地图制作等），这就用到了本地 Native 接口（本地库接口）。

1 ClassLoader

ClassLoader 负责加载字节码文件即 class 文件，class 文件在文件开头有特定的文件标示，并且 ClassLoader 只负责class 文件的加载，至于它是否可以运行，则由 Execution Engine 决定。

2 Runtime Data Area

Runtime Data Area 是存放数据的，分为五部分：Stack（虚拟机栈），Heap（堆），Method Area（方法区），PC Register（程序计数器），Native Method Stack（本地方法栈）。几乎所有的关于 Java 内存方面的问题，都是集中在这块。

3 Execution Engine

执行引擎，也叫 Interpreter。Class 文件被加载后，会把指令和数据信息放入内存中，Execution Engine 则负责把这些命令解释给操作系统，即将 JVM 指令集翻译为操作系统指令集。

4 Native Interface

负责调用本地接口的。他的作用是调用不同语言的接口给 JAVA 用，他会在 Native Method Stack 中记录对应的本地方法，然后调用该方法时就通过 Execution Engine 加载对应的本地 lib。原本多用于一些专业领域，如JAVA驱动，地图制作引擎等，现在关于这种本地方法接口的调用已经被类似于Socket通信，WebService等方式取代。

执行引擎及本地方法接口不过多进行介绍，我们重点关注其余两个部分：

1. ClassLoader : 类加载器相关知识点，包括类的双亲委派加载机制，加载过程等。
2. Runtime Data Area : JVM 内存管理相关知识点，包括内存划分、常用设置、JVM 调优、垃圾回收及常见内存溢出问题的排查解决等。

二、Java 代码编译直到执行的整个流程

1.Java源码编译机制

Java 源码编译是由 Java 源码编译器来完成的。Java 源码编译由以下三个过程组成：

• 分析和输入到符号表
• 注解处理
• 语义分析和生成class文件

流程图如下所示：

最后生成的class文件由以下部分组成：

 

    结构信息。包括class文件格式版本号及各部分的数量与大小的信息

    元数据。对应于Java源码中声明与常量的信息。包含类/继承的超类/实现的接口的声明信息、域与方法声明信息和常量池

    方法信息。对应Java源码中语句和表达式对应的信息。包含字节码、异常处理器表、求值栈与局部变量区大小、求值栈的类型记录、调试符号信息

2.类加载机制

 

JVM的类加载是通过ClassLoader及其子类来完成的，类的层次关系和加载顺序可以由下图来描述：

1）Bootstrap ClassLoader

 

负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++实现，不是ClassLoader子类

 

2）Extension ClassLoader

 

负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包

 

3）App ClassLoader

 

负责记载classpath中指定的jar包及目录中class

 

4）Custom ClassLoader

 

属于应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader

 

加载过程中会先检查类是否被已加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查，只要某个classloader已加载就视为已加载此类，保证此类只所有ClassLoader加载一次。而加载的顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试加载此类。

 

3.类执行机制

 

JVM是基于栈的体系结构来执行class字节码的。线程创建后，都会产生程序计数器（PC）和栈（Stack），程序计数器存放下一条要执行的指令在方法内的偏移量，栈中存放一个个栈帧，每个栈帧对应着每个方法的每次调用，而栈帧主要有局部变量区和操作数栈两部分，局部变量区用于存放方法中的局部变量和参数，操作数栈中用于存放方法执行过程中产生的中间结果。栈的结构如下图所示：

 

 4.Java 字节码执行

Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成，流程图如下所示：