JVM(一)类加载器子系统
JVM内容包括：1）内存与垃圾回收；2）字节码与类加载器；3）性能监控与调优；
1、字节码与多语言混合编程
2、java和jvm发展
3、虚拟机和java虚拟机介绍
4、JVM的位置
5、JVM的整体结构
6、java代码的执行流程
7、栈的指令集架构和寄存器的指令集架构
8、JVM的生命周期
9、SUN Classic VM的介绍
10、Exact VM的介绍
11、HotSpot VM的介绍
12、JVM内存结构
13、类加载子系统
14、类的加载过程
15、类加载器
15.1、类加载器的分类
15.2、引导类加载器
15.3、扩展类加载器
15.4、应用程序类加载器
16、自定义类加载器
17、双亲委派机制
18、沙箱安全机制
1、字节码与多语言混合编程 <--返回目录
字节码：我们平时说的java字节码，指的是用java语言编译成的字节码。准确来说任何能在JVM平台上执行的字节码格式都是一样的。所以应该统称为：jvm字节码。
不同的编译器可以编译出相同的字节码文件，字节码文件也可以在不同的jvm上运行。
java虚拟机与java语言并没有必然的联系，它只与特定的二进制文件格式----Class文件格式所关联，Class文件中包含了java虚拟机指令集（或称为字节码、Bytecodes）和符号表，还有一些其他辅助信息。
多语言混合编程：Java平台上的多语言混合编程正成为主流，通过特定领域的语言去解决特定领域的问题是当前软件开发应对日趋复杂的项目需求的一个方向。 试想一下，在一个项目之中，并行处理用Clojure语言编写，展示层使用JRuby/Rails，中间层则是java，每个应用层都将使用不同的编程语言来完成，而且，接口对每一层的开发者都是透明的，各种语言之间的交互不存在任何困难，就像使用自己语言的原生API一样方便，因为它们最终都运行在一个虚拟机之上。 对这些运行于java虚拟机之上、java之外的语言，来自系统级的、底层的支持正在迅速增强，以JSR-292为核心的一系列项目和功能改进（如DaVinci Machine项目、Nashorn引擎、InvokeDynamic指令、java.lang.invoke包等），推动java虚拟机从"java语言的虚拟机"向"多语言虚拟机"的方向发展。
2、java和jvm发展 <--返回目录
3、虚拟机和java虚拟机介绍 <--返回目录
虚拟机：
Virtual Machine，就是一台虚拟的计算机。它是一款软件，用来执行一系列虚拟计算机指令。大体上，虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机。
Visual Box、VMware就属于系统虚拟机，它们完全是对物理计算机的仿真，提供了一个可运行完整操作系统的软件平台。
程序虚拟机的典型代表就是java虚拟机，它专门为执行单个计算机程序而设计，在java虚拟机中执行的指令我们称为java字节码指令。
无论是系统虚拟机还是程序虚拟机，在上面运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。
Java虚拟机：
Java虚拟机是一台执行java字节码的虚拟计算机，它拥有独立的运行机制，其运行的java字节码也未必由java语言编译而成。
JVM平台的各种语言可以共享java虚拟机带来的跨平台性、优秀的垃圾回收器，以及可靠的即时编译器。
Java技术的核心就是java虚拟机（JVM，Java Virtual Machine），因为所有的java程序都运行在java虚拟机内部。
Java虚拟机作用：就是二进制字节码的运行环境，负责装载字节码到其内部，解释/编译为对应平台上的机器指令执行。每一条java指令，java虚拟机规范中都有详细定义，如怎么取操作数，怎么处理操作操作数，处理结果放在那里等。特点是：一次编译，到处运行；自动内存管理；自动垃圾回收功能。
4、JVM的位置 <--返回目录
JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。
5、 JVM的整体结构 <--返回目录
HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。它采用解释器与即时编译器并存的架构。在今天，java程序的运行性能已经达到可以和c/c++一较高下的地步了。
6、java代码的执行流程 <--返回目录
7、栈的指令集架构和寄存器的指令集架构 <--返回目录
JVM的架构模型：Java编译器输入的指令流基本上是一种基于栈的指令集架构，另外一种指令架构则是基于寄存器的指令集架构。
具体来说，这两种架构之间的区别：
基于栈式架构的特点
- 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统；
- 使用零地址指令方式分配，避开了寄存器的分配难题；
- 指令流中的指令大部分是零地址指令，其执行过程依赖于操作栈。指令集更小，编译器容易实现；
- 不需要硬件支持，可移植性更好，更好实现跨平台。
基于寄存器架构的特点
- 典型的应用是x86的二级制指令集，比如传统的PC以及Android的Davlik虚拟机；
- 指令集架构则完全依赖硬件，可移植性差；
- 性能优秀和执行更高效；
- 花费更少的指令去完成一项操作；
- 在大部分情况下，基于寄存器架构的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三地址指令为主，而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主。
举例：同样执行 2+3 这种逻辑操作，其指令分别如下：
总结：由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。 优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。
时至今日，尽管嵌入式平台已经不是Java程序的主流运行平台了（准确来说应该是HotSpotVM的宿主环境已经不局限于嵌入式平台了），那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢？？
8、JVM的生命周期 <--返回目录
8.1、虚拟机的启动
Java虚拟机的启动是通过引导类加载器（bootstrap class loader）创建一个初始类（initial class）来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现指定的。
8.2、虚拟机的执行
一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序。
程序开始执行时它才运行，程序结束时它就停止。
执行一个所谓的Java程序的时候，真真正正在执行的是一个叫做Java虚拟机的进程。
8.3、虚拟机的退出
有如下几种情况：
- 程序正常执行结束；
- 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止；
- 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止；
- 某线程调用Runtime类或System类的exit方法，或Runtime类的halt方法，并且Java安全管理器也允许这次exit或halt操作。
- 除此之外，JNI（Java Native Interface）规范描述了用JNI Invocation API 来加载或卸载Java虚拟机时，Java虚拟机的退出情况。
9、SUN Classic VM的介绍 <--返回目录
早在1996年Java1.0版本的时候，Sun公司发布了一款名为Sun Classic VM的Java虚拟机，它同时也是世界上第一款商用Java虚拟机，JDK1.4时完全被淘汰。
这款虚拟机内部只提供解释器。
如果使用JIT编译器，就需要进行外挂。但是一旦使用了JIT编译器，JIT就会接管虚拟机的执行系统。解释器就不再工作。解释器和JIT编译器不能配合工作。
现在hotspot内置了此虚拟机。
10、Exact VM的介绍 <--返回目录
为了解决上一个虚拟机的问题，JDK1.2时，sun提供了此虚拟机。
Exact Memory Management： 准确式内存管理
- 也可以叫Non-Conservative/Accurate Memory Management
- 虚拟机可以指定内存中某个位置的数据具体是什么类型
具备现代高性能虚拟机的雏形
- 热点探测
- 编译器与解释器混合工作模式
只在Solaris平台短暂使用，其他平台上还是classic VM。
11、HotSpot VM的介绍 <--返回目录
最初由一家名为"Longview Technologies"的公司设计，1997年此公司被sun收购，2009年sun公司被甲骨文收购。
JDK1.3时，HotSpot VM成为默认虚拟机。目前HotSpot占有绝对的市场地位。
- 不管是现在仍广泛使用的JDK6，还是使用比例较大的JDK8中，默认的虚拟机都是HotSpot。
- sun/Oracle JDK 和OpenJDK的默认虚拟机。
- 从服务器、桌面到移动端、嵌入式都有应用。
名称中的HotSpot指的就是它的热点代码探测技术
- 通过计数器找到最具编译价值代码，触发即时编译或栈上替换
- 通过编译器与解释器协同工作，在最优化的程序响应时间与最佳执行性能中取得平衡。
12、JVM内存结构 <--返回目录
13、类加载子系统 <--返回目录
类加载子系统
类加载器子系统负责从文件系统或者网络中加载 class 文件，class 文件在文件开头有特定的文件标识。
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。
加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区中还会存放运行时常量池信息，可能还包括字符串字面量和数字常量（这部分常量信息是 class 文件中常量池部分的内存映射）。
类加载器 ClassLoader 角色
14、类的加载过程 <--返回目录
加载 Loading
- 通过一个类的权限定名获取定义此类的二进制字节流
- 将整个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
- 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口
加载 .class 文件的方式
- 从本地系统中直接加载
- 通过网络获取，典型场景: Web Applet
- 从zip压缩包中读取，成为日后jar、war格式的基础
- 运行时计算生成，使用最多的是：动态代理技术
- 由其他文件生成，典型场景：JSP应用
- 从数据库中提取 .class 文件，比较少见
- 从加密文件中获取，典型的防 Class 文件被反编译的保护措施
链接 Linking
- 验证 Verify：目的在于确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，保证被加载类的正确性，不会危害虚拟机自身安全。 主要包含四种验证，文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。
- 准备 Prepare: 为类变量分配内存并设置该类变量的默认初始值，即零值（整形->0，浮点型->0.0，布尔->false，引用->null）。 这里不包含用 final 修饰的 static，因为 final 在编译的时候就会分配了，准备阶段会显示初始化。 这个不会为实例变量分配初始值，类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到 Java 堆中。
- 解析 Resolve: 将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程。 事实上，解析操作往往会伴随着 JVM 在执行初始化之后再执行。 符号引用就是一组符号来描述所引用的目标。符号引用的字面量形式明确定义在《java 虚拟机规范》的 Class 文件格式中。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。 解析动作主要针对类、接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等。
初始化 Initialization
- 初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit>()的过程
- 此方法不需定义，是javac编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来
- 构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行
- <clinit>()不同于类的构造器。构造器是虚拟机视角下的<init>()
- 若该类具有父类，JVM会保证子类的<clinit>()执行前，父类的<clinit>()已经执行完毕
- 虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程下被同步加锁。
15、类加载器 <--返回目录
15.1、类加载器的分类 <--返回目录
JVM支持两种类型的类加载器，分别为引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自定义加载器（User-Defined ClassLoader）。从概念上讲，自定义加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的一类类加载器，但是Java虚拟机规范却没有这么定义，而是将所有派生于抽象类ClassLoader的类加载器都划分为自定义类加载器。
// 获取系统类加载器 ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader(); System.out.println(systemClassLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@2a139a55 // 获取其上层：扩展类加载器 ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent(); System.out.println(extClassLoader);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@7852e922 // 获取其上上层：获取不到引导类加载器 ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent(); System.out.println(bootstrapClassLoader); //null // 对于用户自己编写的类：默认使用系统加载器进行加载 ClassLoader loader1 = Demo.class.getClassLoader(); System.out.println(loader1);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@2a139a55 // String类使用引导类加载器进行加载。 -->Java的核心类库都是使用引导类加载器进行加载的。 ClassLoader loader2 = String.class.getClassLoader(); System.out.println(loader2);//null
15.2、引导类加载器 <--返回目录
启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）
- 这个类加载器使用 c/c++语言实现的，嵌套在JVM内部
- 它用来加载Java的核心库（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar或sun.boot.class.path路径下的内容），用于提供JVM自身需要的类
- 并不继承自java.lang.ClassLoader，没有父加载器
- 加载扩展类和应用程序类加载器，并指定为它们的父类加载器
- 出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包为java、javax、sun等开头的类。
15.3、扩展类加载器 <--返回目录
扩展类加载器（Extension ClassLoader）
- Java语言编写，由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现
- 派生于 ClassLoader 类
- 父类加载器为启动类加载器
- 从 java.ext.dirs 系统属性所指定的目录中加载类库，或从JDK的安装目录的 jre/lib/ext 子目录（扩展目录）下加载类库。如果用户创建的jar放在此目录下，也会自动有扩展类加载器加载。
// D:\JavaFiles\jdk1.8.0_111\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
15.4、应用程序类加载器 <--返回目录
应用程序类加载器（系统类加载器，AppClassLoader）
- java语言编写，有sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现
- 派生于ClassLoader类
- 父类加载器为扩展类加载器
- 它负责加载环境变量classpath或系统属性 java.class.path 指定路径下的类库
- 该类加载是程序中默认的类加载器，一般来说，Java应用的类都是由它来完成加载。 通过ClassLoader# getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器。
//D:\JavaFiles\jdk1.8.0_111\jre\lib\rt.jar; ===> JRE System Libaray类库 //D:\oy_workspace\eclipse_javaee_win64_workspace\demo\bin System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
16、自定义类加载器 <--返回目录
在Java的日常应用程序开发中，类的加载几乎都是由上述3种类加载器相互配合执行的，在必要时，我们还可以自定义类加载器，来定制类的加载方式。
为什么要自定义类加载器：
1）隔离加载类
2）修改类加载的方式
3）扩展加载源
4）防止源码泄漏
自定义类加载器的步骤：
1）开发人员可以通过继承抽象类java.lang.ClassLoader类的方式，实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求；
2）在JDK1.2后，建议把自定义的类加载逻辑写在findClass()方法中；
3）在编写自定义类加载器时，如果没有太过于复杂的需求，可以直接继承URLClassLoader类，这样就可以避免自己去编写findClass()方法及其获取字节码流的方式，使自定义类加载器编写更加简洁。
17、双亲委派机制 <--返回目录
Java 虚拟机对 class 文件采用的是按需加载的方式，也就是说当需要使用该类时才会将它的 class 文件加载到内存生成 class 对象。而且加载某个类的 class 文件时，Java 虚拟机采用的是双亲委派模式，即把请求交由父类处理，它是一种任务委派模式。
双亲委派机制的工作原理
双亲委派机制的优势：
- 避免类的重复加载
- 保护程序的安全，防止核心 API 被篡改
18、沙箱安全机制 <--返回目录
自定义 java.lang.String 类，但是在加载自定义 java.lang.String 类的时候会率先使用引导类加载器加载，而引导类加载器在加载的过程中会加载jdk自带的rt.jar 中 java.lang.String，而不会加载自定义的java.lang.String 类，这样可以保证对 java核心源代码的保护，这就是沙箱安全机制。
在 JVM 中表示两个class对象是否为同一个类存在两个必要条件：
- 类的完整类名必须一致，包括包名。
- 加载这个类的ClassLoader（指ClassLoader实例对象）必须相同。
也就是说，在JVM中，即使两个类对象（class对象）来源同一个class文件，被同一个虚拟机所加载，但只要加载它们的ClassLoader实例对象不同，那么这两个类对象也是不相等。
posted on 2020-08-04 21:22 wenbin_ouyang 阅读(211) 评论(0) 编辑 收藏 举报
