java虚拟机是如何工作的?

从宏观角度介绍Java虚拟机的工作原理。如何执行java源文件(。java文件)从头开始,如下图所示,首先由前端编译器(javac或ECJ)将Java源文件编译成Java字节码文件,然后JRE将Java字节码文件加载到系统分配给JVM的内存区,再由执行引擎解释或编译类文件,再由即时编译器将字节码转换成机器码。本文主要介绍下图中的类加载器和运行时数据区。

(1)类加载是指读取字节码文件中的二进制数据(。class)放入内存,放入运行时数据区的方法区,然后在堆上创建一个java.lang.Class对象,封装方法区中类的数据结构。类加载的最终产品是一个位于堆中的类对象,它封装了方法区中类的数据结构,并为JAVA程序提供了访问方法区中数据结构的接口。下面是类装入器的层次图。

BootstrapClassLoader:在JVM运行时创建,负责加载JDK安装目录下存储的jre\lib的类文件,或者-xbootclasspass参数指定路径下的类库,虚拟机可以识别(比如rt.jar,所有以java开头的类。*由引导类加载器加载)。JAVA程序不能直接引用startup类。

扩展类加载器:这个类加载器负责加载JDK安装目录中的\jre\lib\ext的类,或者java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库。开发者也可以直接使用扩展类加载器。

应用类加载器:负责加载用户类路径指定的类,开发者可以直接使用这个类加载器。如果应用程序没有定义自己的类装入器,这个类装入器就是默认的类装入器。

自定义类加载器:JVM自带的类加载器从本地文件系统加载标准java类文件,自定义类加载器可以在执行不可信代码前自动验证数字签名,动态创建满足用户特定需求的定制构造类,从特定地方(数据库、网络)获取Java类。

注意,上面的类加载器不是通过继承实现的,而是通过组合实现的。JAVA虚拟机的加载模式是委托模式,如上步骤1-7所示。下面的加载器可以看到上面的加载器中的类,但反之则不行。类装入器可以装入类,但不能卸载它们。说了很多,还是觉得有必要用一些代码来说事情。

首先,定义您自己的类加载器MyClassLoader,它从类加载器继承并覆盖父类的findClass(字符串名称)方法,如下所示:

使用定义好的MyClassLoader加载指定的字节码文件,比如加载C:\\Users\\Administrator\\下的Test.class字节码文件。代码如下:

(2)运行时数据区

字节码加载的第一步,接下来是认证、准备、解析和初始化,那么这些步骤具体做了哪些工作,如下图所示:

(3)下面将介绍运行时数据区,主要分为方法区、Java堆、虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器。与Java堆一样,方法区是每个线程共享的内存区,而虚拟机堆栈、本地方法堆栈和程序计数器是每个线程的私有内存区。

Java heap: Java heap是Java虚拟机管理的最大一块内存,由进程的所有线程共享,在虚拟机启动时创建。这个区域的唯一目的是存储对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。随着JIT编译器的发展和转义分支技术的逐渐成熟,栈上分配、标量替换等优化技术使得堆上内存的分配不再那么“绝对”。Java堆是垃圾收集器管理的主要领域。因为目前的收集器基本采用分代收集算法,所以Java堆也可以分为旧时代和新世代(Eden,从幸存者,到幸存者)。根据Java虚拟机规范,Java堆可以在物理上不连续的内存空间中,只要它在逻辑上是连续的。这个区域的大小可以通过-Xmx和-Xms参数来扩展。如果堆中没有内存来完成实例分配,并且堆无法扩展,将引发OutOfMemoryError异常。

方法区:用于存储类信息、常量、静态变量、即时编译器编译的代码以及Java虚拟机加载的其他数据。与Java堆不同,Java虚拟机规范对方法区域的限制非常宽松,可以选择不实现垃圾回收。然而,当数据进入方法区域时,它并不是“永久”存在的。这方面的内存回收目标主要是针对常量池的回收和类型的卸载。如果这个区域没有足够的内存,还会抛出OutOfMemoryError异常。

恒池:这个术语可能大家经常看到,是方法领域的一部分。除了描述类文件的版本、字段、方法、接口等信息,还有一个常量池,用来存储编译时产生的各种文字量和符号引用。在Java虚拟机运行过程中,也可以将新的常量放入常量池中(比如String类的intern()方法)。

虚拟机堆栈:线程是私有的,与线程具有相同的生命周期。虚拟机堆栈描述了Java方法执行的内存模型:每个方法在执行时都会创建一个堆栈框架来存储局部变量表、操作数堆栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法从调用到执行的过程对应虚拟机栈中栈帧到栈帧的过程。如果请求的站的深度大于虚拟机允许的深度,将引发StackOverflowError异常,如果虚拟机堆栈在动态扩展期间无法申请足够的内存,将引发OutOfMemoryError异常。

通过最简单的代码解释程序运行时数据区各部分的变化。

(4)通过编译器将Test.java文件编译成Test.class,使用javap -verbose Test.class分析编译后的字节码,如下图所示:

(5)运行时查看数据区的变化: