淘寶技術大學應屆生培訓

JVM任務原理課程組：雷卷小邪九穆版本：第一版2021年到達的目的知道Java虛擬機的生存周期知道JVM的體系構造知道JVM體系構造中的各個部分能對JVM有個大致明晰的了解內容JVM的生命周期JVM的體系構造JVM類加載器JVM執行引擎JVM運轉時數據區JVM渣滓回收問題JVM的生命周期

一、首先分析兩個概念JVM實例和JVM執行引擎實例〔1〕JVM實例對應了一個獨立運轉的java程序它是進程級別〔2〕JVM執行引擎實例那么對應了屬于用戶運轉程序的線程它是線程級別的JVM的生命周期

二、JVM的生命周期〔1〕JVM實例的誕生當啟動一個Java程序時，一個JVM實例就產生了，任何一個擁有publicstaticvoidmain(String[]args)函數的class都可以作為JVM實例運轉的起點〔2〕JVM實例的運轉main()作為該程序初始線程的起點，任何其他線程均由該線程啟動。JVM內部有兩種線程：守護線程和非守護線程，main()屬于非守護線程，守護線程通常由JVM本人運用，java程序也可以標明本人創建的線程是守護線程。

〔3〕JVM實例的消亡當程序中的一切非守護線程都終止時，JVM才退出；假設平安管理器允許，程序也可以運用Runtime類或者System.exit()來退出。

內容JVM的生命周期JVM的體系構造JVM類加載器JVM執行引擎JVM運轉時數據區JVM渣滓回收問題JVM的體系構造

JVM的體系構造一、JVM的內部體系構造分為三部分，〔1〕類裝載器〔ClassLoader〕子系統作用:用來裝載.class文件〔2〕執行引擎作用:執行字節碼，或者執行本地方法

〔3〕運轉時數據區方法區，堆，java棧，PC存放器，本地方法棧

內容JVM的生命周期JVM的體系構造JVM類加載器JVM執行引擎JVM運轉時數據區JVM渣滓回收問題JVM的體系構造之類加載器一、JVM將整個類加載過程劃分為了三個步驟：〔1〕裝載裝載過程擔任找到二進制字節碼并加載至JVM中，JVM經過類名、類所在的包名經過ClassLoader來完成類的加載，同樣，也采用以上三個元素來標識一個被加載了的類：類名+包名+ClassLoader實例ID?！?〕鏈接鏈接過程擔任對二進制字節碼的格式進展校驗、初始化裝載類中的靜態變量以及解析類中調用的接口、類。在完成了校驗后，JVM初始化類中的靜態變量，并將其值賦為默許值。最后一步為對類中的一切屬性、方法進展驗證，以確保其需求調用的屬性、方法存在，以及具備應的權限〔例如public、private域權限等〕，會呵斥NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等錯誤信息。〔3〕初始化初始化過程即為執行類中的靜態初始化代碼、構造器代碼以及靜態屬性的初始化，在四種情況下初始化過程會被觸發執行：調用了new；反射調用了類中的方法；子類調用了初始化；JVM啟動過程中指定的初始化類。JVM的體系構造之類加載器JVM的體系構造之類加載器一、JVM兩種類裝載器包括：啟動類裝載器和用戶自定義類裝載器，啟動類裝載器是JVM實現的一部分，用戶自定義類裝載器那么是Java程序的一部分，必需是ClassLoader類的子類。二、主要分為以下幾類：(1)BootstrapClassLoader這是JVM的根ClassLoader，它是用C++實現的，JVM啟動時初始化此ClassLoader，并由此ClassLoader完成$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar〔SunJDK的實現〕中一切class文件的加載，這個jar中包含了java規范定義的一切接口以及實現。(2)ExtensionClassLoaderJVM用此classloader來加載擴展功能的一些jar包(3)SystemClassLoaderJVM用此classloader來加載啟動參數中指定的Classpath中的jar包以及目錄，在SunJDK中ClassLoader對應的類名為AppClassLoader。(4)User-DefinedClassLoaderUser-DefinedClassLoader是Java開發人員承繼ClassLoader籠統類自行實現的ClassLoader，基于自定義的ClassLoader可用于加載非Classpath中的jar以及目錄JVM的體系構造之類加載器三、ClassLoader籠統類提供了幾個關鍵的方法：〔1〕loadClass此方法擔任加載指定名字的類，ClassLoader的實現方法為先從曾經加載的類中尋覓，如沒有那么繼續從parentClassLoader中尋覓，如依然沒找到，那么從SystemClassLoader中尋覓，最后再調用findClass方法來尋覓，如要改動類的加載順序，那么可覆蓋此方法〔2〕findLoadedClass此方法擔任從當前ClassLoader實例對象的緩存中尋覓已加載的類，調用的為native的方法?！?〕findClass此方法直接拋出ClassNotFoundException，因此需求經過覆蓋loadClass或此方法來以自定義的方式加載相應的類。(4)findSystemClass此方法擔任從SystemClassLoader中尋覓類，如未找到，那么繼續從BootstrapClassLoader中尋覓，如依然為找到，那么前往null。(5)defineClass此方法擔任將二進制的字節碼轉換為Class對象(6)resolveClass此方法擔任完成Class對象的鏈接，如已鏈接過，那么會直接前往。

JVM的體系構造之類加載器四、簡單的classLoader例子/**重寫ClassLoader類的findClass方法，將一個字節數組轉換為Class類的實例*/publicClass<?>findClass(Stringname)throwsClassNotFoundException{byte[]b=null;try{b=loadClassData(AutoClassLoader.FormatClassName(name));}catch(Exceptione){e.printStackTrace();}returndefineClass(name,b,0,b.length);}/**將指定途徑的.class文件轉換成字節數組*/privatebyte[]loadClassData(Stringfilepath)throwsException{intn=0;BufferedInputStreambr=newBufferedInputStream(newFileInputStream(newFile(filepath)));ByteArrayOutputStreambos=newByteArrayOutputStream();while((n=br.read())!=-1){bos.write(n);}br.close();returnbos.toByteArray();}JVM的體系構造之類加載器四、簡單的classLoader例子/**格式化文件所對應的途徑*/publicstaticStringFormatClassName(Stringname){

FILEPATH=DEAFAULTDIR+name+".class";returnFILEPATH;}

/**main方法測試*/publicstaticvoidmain(String[]args)throwsException{

AutoClassLoaderacl=newAutoClassLoader();Classc=acl.findClass("testClass");Objectobj=c.newInstance();Methodm=c.getMethod("getName",newClass[]{String.class,int.class});m.invoke(obj,"他好",123);System.out.println(c.getName());System.out.println(c.getClassLoader());System.out.println(c.getClassLoader().getParent());}內容JVM的生命周期JVM的體系構造JVM類加載器JVM執行引擎JVM運轉時數據區JVM渣滓回收問題JVM的體系構造之執行引擎一、JVM經過執行引擎來完成字節碼的執行，在執行過程中JVM采用的是本人的一套指令系統，每個線程在創建后，都會產生一個程序計數器〔pc〕和?！睸tack〕，其中程序計數器中存放了下一條將要執行的指令，Stack中存放StackFrame，表示的為當前正在執行的方法，每個方法的執行都會產生StackFrame，StackFrame中存放了傳送給方法的參數、方法內的部分變量以及操作數棧，操作數棧用于存放指令運算的中間結果，指令擔任從操作數棧中彈出參與運算的操作數，指令執行終了后再將計算結果壓回到操作數棧，當方法執行終了后那么從Stack中彈出，繼續其他方法的執行。在執行方法時JVM提供了invokestatic、invokevirtual、invokeinterface和invokespecial四種指令來執行〔1〕invokestatic：調用類的static方法〔2〕invokevirtual：調用對象實例的方法〔3〕invokeinterface：將屬性定義為接口來進展調用〔4〕invokespecial：JVM對于初始化對象〔Java構造器的方法為：<init>〕以及調用對象實例中的私有方法時。

JVM的體系構造之執行引擎二、反射機制是Java的亮點之一，基于反射可動態調用某對象實例中對應的方法、訪問查看對象的屬性等，而無需在編寫代碼時就確定需求創建的對象，這使得Java可以實現很靈敏的實現對象的調用，代碼例如如下：ClassactionClass=Class.forName(外部實現類);Methodmethod=actionClass.getMethod(“execute〞,null);Objectaction=actionClass.newInstance();method.invoke(action,null);反射的關鍵：要實現動態的調用，最明顯的方法就是動態的生成字節碼，加載到JVM中并執行

JVM的體系構造之執行引擎〔1〕ClassactionClass=Class.forName(外部實現類);調用本地方法，運用調用者所在的ClassLoader來加載創建出Class對象；〔2〕Methodmethod=actionClass.getMethod(“execute〞,null);校驗此Class能否為public類型的，以確定類的執行權限，如不是public類型的，那么直接拋出SecurityException；調用privateGetDeclaredMethods來獲取到此Class中一切的方法，在privateGetDeclaredMethods對此Class中一切的方法的集合做了緩存，在第一次時會調用本地方法去獲??；掃描方法集合列表中能否有一樣方法名以及參數類型的方法，如有那么復制生成一個新的Method對象前往；如沒有那么繼續掃描父類、父接口中能否有此方法，如依然沒找到方法那么拋出NoSuchMethodException；

JVM的體系構造之執行引擎〔3〕Objectaction=actionClass.newInstance();第一步：校驗此Class能否為public類型，如權限缺乏那么直接拋出SecurityException；第二步：如沒有緩存的構造器對象，那么調用本地方法獲取到構造器，并復制生成一個新的構造器對象，放入緩存，如沒有空構造器那么拋出InstantiationException；第三步：校驗構造器對象的權限；第四步：執行構造器對象的newInstance方法；構造器對象的newInstance方法判別能否有緩存的ConstructorAccessor對象，假設沒有那么調用sun.reflect.ReflectionFactory生成新的ConstructorAccessor對象；第五步：sun.reflect.ReflectionFactory判別能否需求調用本地代碼，可經過sun.reflect.noInflation=true來設置為不調用本地代碼，在不調用本地代碼的情況下，就轉交給MethodAccessorGenerator來處置了；第六步：MethodAccessorGenerator中的generate方法根據JavaClass格式規范生成字節碼，字節碼中包括了ConstructorAccessor對象需求的newInstance方法，此newInstance方法對應的指令為invokespecial，所需的參數那么從外部壓入，生成的Constructor類的名字以：sun/reflect/GeneratedSerializationConstructorAccessor或sun/reflect/GeneratedConstructorAccessor開頭，后面跟隨一個累計創建的對象的次數；第七步：在生成了字節碼后將其加載到當前的ClassLoader中，并實例化，完成ConstructorAccessor對象的創建過程，并將此對象放入構造器對象的緩存中；最后一步：執行獲取的constructorAccessor.newInstance，這步和規范的方法調用沒有任何區別。

JVM的體系構造之執行引擎〔4〕method.invoke(action,null);這步執行的過程和上一步根本類似，只是在生成字節碼時生成的方法改為了invoke，其調用的目的改為了傳入的對象的方法，同時生成的類名改為了：sun/reflect/GeneratedMethodAccessor。注：但是getMethod是非常耗性能的，一方面是權限的校驗，另外一方面一切方法的掃描以及Method對象的復制，因此在運用反射調用多的系統中應緩存getMethod前往的Method對象

JVM的體系構造之執行引擎2、執行技術主要的執行技術有:解釋，即時編譯，自順應優化、芯片級直接執行〔1〕解釋屬于第一代JVM，〔2〕即時編譯JIT屬于第二代JVM，〔3〕自順應優化〔目前Sun的HotspotJVM采用這種技術〕那么汲取第一代JVM和第二代JVM的閱歷，采用兩者結合的方式

〔4〕自順應優化：開場對一切的代碼都采取解釋執行的方式，并監視代碼執行情況，然后對那些經常調用的方法啟動一個后臺線程，將其編譯為本地代碼，并進展仔細優化。假設方法不再頻繁運用，那么取消編譯過的代碼，仍對其進展解釋執行。

內容JVM的生命周期JVM的體系構造JVM類加載器JVM執行引擎JVM運轉時數據區JVM渣滓回收問題JVM的體系構造之運轉時數據區一、JVM在運轉時將數據劃分為了6個區域來存儲，而不僅僅是大家熟知的Heap區域，這6個區域圖示如下：

JVM的體系構造之運轉時數據區第一塊：PC存放器PC存放器是用于存儲每個線程下一步將執行的JVM指令，如該方法為native的，那么PC存放器中不存儲任何信息。第二塊：JVM棧JVM棧是線程私有的，每個線程創建的同時都會創建JVM棧，JVM棧中存放的為當前線程中部分根本類型的變量〔java中定義的八種根本類型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double〕、部分的前往結果以及StackFrame，非根本類型的對象在JVM棧上僅存放一個指向堆上的地址第三塊：堆〔Heap〕Heap是大家最為熟習的區域，它是JVM用來存儲對象實例以及數組值的區域，可以以為Java中一切經過new創建的對象的內存都在此分配，Heap中的對象的內存需求等待GC進展回收。

JVM的體系構造之運轉時數據區JVM將Heap分為NewGeneration和OldGeneration〔或TenuredGeneration〕兩塊來進展管理：〔1〕NewGeneration又稱為新生代，程序中新建的對象都將分配到新生代中，新生代又由EdenSpace和兩塊SurvivorSpace構成，可經過-Xmn參數來指定其大小〔2〕OldGeneration又稱為舊生代，用于存放程序中經過幾次渣滓回收還存活的對象，例如緩存的對象等，舊生代所占用的內存大小即為-Xmx指定的大小減去-Xmn指定的大小。

JVM的體系構造之運轉時數據區對堆的解釋：〔1〕堆是JVM中一切線程共享的，因此在其上進展對象內存的分配均需求進展加鎖，這也導致了new對象的開銷是比較大的〔2〕鑒于上面的緣由，SunHotspotJVM為了提升對象內存分配的效率，對于所創建的線程都會分配一塊獨立的空間，這塊空間又稱為TLAB〔ThreadLocalAllocationBuffer〕，其大小由JVM根據運轉的情況計算而得，在TLAB上分配對象時不需求加鎖，因此JVM在給線程的對象分配內存時會盡量的在TLAB上分配，在這種情況下JVM中分配對象內存的性能和C根本是一樣高效的，但假設對象過大的話那么依然是直接運用堆空間分配〔3〕TLAB僅作用于新生代的EdenSpace，因此在編寫Java程序時，通常多個小的對象比大的對象分配起來更加高效，但這種方法同時也帶來了兩個問題，一是空間的浪費，二是對象內存的回收上依然沒法做到像Stack那么高效，同時也會添加回收時的資源的耗費，可經過在啟動參數上添加-XX:+PrintTLAB來查看TLAB這塊的運用情況。

JVM的體系構造之運轉時數據區第四塊：方法區域〔MethodArea〕〔1〕方法區域存放了所加載的類的信息〔稱號、修飾符等〕、類中的靜態變量、類中定義為final類型的常量、類中的Field信息、類中的方法信息，當開發人員在程序中經過Class對象中的getName、isInterface等方法來獲取信息時，這些數據都來源于方法區域，可見方法區域的重要性，同樣，方法區域也是全局共享的，在一定的條件下它也會被GC，當方法區域需求運用的內存超越其允許的大小時，會拋出OutOfMemory的錯誤信息?！?〕在SunJDK中這塊區域對應的為PermanetGeneration，又稱為耐久代，默以為64M，可經過-XX:PermSize以及-XX:MaxPermSize來指定其大小。第五塊：運轉時常量池〔RuntimeConstantPool〕類似C中的符號表，存放的為類中的固定的常量信息、方法和Field的援用信息等，其空間從方法區域中分配。第六塊：本地方法堆?！睳ativeMethodStacks〕JVM采用本地方法堆棧來支持native方法的執行，此區域用于存儲每個native方法調用的形狀。

內容JVM的生命周期JVM的體系構造JVM類加載器JVM執行引擎JVM運轉時數據區JVM渣滓回收問題JVM的體系構造之內存回收一、JVM中自動的對象內存回收機制稱為：GC〔GarbageCollection〕1、GC的根本原理：為將內存中不再被運用的對象進展回收，GC中用于回收內存中不被運用的對象的方法稱為搜集器，由于GC需求耗費一些資源和時間的，Java在對對象的生命周期特征進展分析后，在V1.2以上的版本采用了分代的方式來進展對象的搜集，即按照新生代、舊生代的方式來對對象進展搜集，以盡能夠的縮短GC對運用呵斥的暫停〔1〕對新生代的對象的搜集稱為minorGC，〔2〕對舊生代的對象的搜集稱為FullGC，〔3〕程序中自動調用System.gc()強迫執行的GC為FullGC，

JVM的體系構造之內存回收二、JVM中自動內存回收機制〔1〕援用計數搜集器原理：援用計數是標識Heap中對象形狀最明顯的一種方法，援用計數的方法簡單來說就是對每一個