Java虚拟机揭秘-底层驱动力,性能保障!

标签：Java 字节 虚拟机 内存 JVM 执行 揭秘

Java虚拟机作为Java技术体系的核心组成部分，其重要性不言而喻。它不仅为Java提供了跨平台的能力，更是Java程序运行的基石。本文将为您深入解析Java虚拟机的工作原理、作用和应用场景，并通过生动的实例让您彻底理解这一关键技术。

一、Java虚拟机详细介绍

1、什么是Java虚拟机？

Java虚拟机(Java Virtual Machine，JVM)是一个虚拟的计算机，它有自己完善的硬件架构，能够运行Java字节码。JVM有着与硬件无关的指令集，屏蔽了与具体操作系统相关的信息，使得Java语言编译后的字节码可以在多种平台上运行。这正是Java"一次编写，处处运行"的根本所在。

JVM 并非只能运行Java语言，而是面向多语言的运行平台，只要遵守JVM的约定(只要编译成.class文件)，就可以运行在JVM虚拟机上。

现在除了Java之外，比如scala、kotlin、groovy等语言都运行在JVM上。

2、Java虚拟机的作用

（1）、内存管理

自动内存管理是JVM最基本的作用之一。JVM通过自动分配和管理内存，防止了手动编码过程中可能出现的内存泄漏等问题。

（2）、跨平台能力

Java字节码可以在任何安装了JVM的设备上运行，这使得Java拥有了出色的跨平台能力，避免了操作系统、硬件的制约。

（3）、自动优化

现代JVM能够对热点代码进行运行时的动态优化，包括生成本地机器代码、内联编译等，大幅提升程序性能。

（4）、安全性

JVM对字节码进行了语法检查、类型检查和安全检查，并提供了沙箱防护机制，确保了Java程序的健壮与安全。

3、JVM、JDK、JRE 的区别与联系

JVM、JDK、JRE是Java开发和运行环境中的三个核心组件，它们之间有着紧密的关系：

（1）、JVM（Java Virtual Machine，Java虚拟机）

JVM是Java平台的核心组成部分，它是一个可以执行Java字节码的虚拟计算机。JVM提供了一个运行时环境，用于加载Java程序的类文件，执行其中的字节码，并管理程序的执行，如内存管理、垃圾回收等。JVM确保了Java的跨平台性，即所谓的“一次编写，到处运行”。

（2）、JRE（Java Runtime Environment，Java运行时环境）

JRE是运行Java应用程序所必需的环境。它包含了JVM以及Java核心类库和其它运行Java程序所需的资源。简单来说，JRE是JVM的宿主环境，它提供了JVM运行所需的所有资源。JRE不包含开发工具，因此它只适用于运行Java程序。

（3）、 JDK（Java Development Kit，Java开发工具包）

JDK是为Java开发者提供的一套工具包，它包含了JRE的所有内容，并且还包括了用于开发Java应用程序的工具和库。JDK中包含了javac编译器、调试器、jar工具、Java文档生成器（javadoc）等开发工具。此外，JDK还包含了一些用于Java性能测量和监控的工具，以及Java平台的源代码。

（4）、JDK、JRE和JVM的关系

• JVM是JRE的一部分：JRE提供了JVM，使得Java程序可以在不同的平台上运行。

• JDK包含了JRE：JDK中包含了一个完整的JRE，因此安装了JDK就不需要单独安装JRE。

• JDK为开发者提供工具：JDK提供了编译器和调试器等开发工具，而JRE和JVM则提供了运行Java程序所需的环境。

  
  

（5）、应用场景

• JRE适用于只运行Java程序的用户：如果只需要运行Java程序，不需要开发Java程序，那么安装JRE就足够了。
• JDK适用于Java开发者：如果你是一名Java开发者，需要编写、编译和调试Java程序，那么需要安装JDK。

总之：

JVM作为核心，提供了字节码的执行环境；JRE作为JVM的宿主，提供了运行时所需的资源；JDK则为开发者提供了完整的开发和运行环境。

二、Java虚拟机的工作原理

Java虚拟机的工作过程可以概括为以下几个阶段:

1、编译阶段

首先 java经过javac编译成.class文件。

类的编译阶段主要是把源码文件编译成JVM可以解析的class文件，这个阶段会经过词法分析、语法语义分析、生成字节码，这个几个阶段后生成最后的class，用16进制的方式打开class文件后如图：

class 文件是Java编译器将Java源代码（.java 文件）编译后生成的字节码文件。这个文件是JVM执行引擎执行的基础。.class 文件包含了多种类型的数据，用于确保JVM能够正确地加载、链接和执行代码。以下是.class 文件中包含的主要内容：

• 魔数（Magic Number）
  每个.class 文件的开始都是魔数，用于标识这个文件是否是一个有效的类文件。魔数是四个字节，值为 0xCAFEBABE。

• 版本信息
  包括主版本号和次版本号，用于确定这个.class 文件是为哪个版本的Java虚拟机编译的。

• 常量池（Constant Pool）
  常量池用于存储编译期间生成的各种字面量和符号引用。这部分可能包括类和接口的名称、字段名、方法名、字符串常量等。

• 访问标志（Access Flags）
  定义了这个类或接口的访问权限，如是否是公共的（public）、抽象的（abstract）等。

• 类索引、父类索引
  类索引用于确定这个类的全名，父类索引指向常量池中的一个引用，表示这个类的直接父类。

• 接口索引表（Interfaces）
  如果这个类实现了一个或多个接口，接口索引表将列出这些接口。

• 字段表集合（Fields）
  字段表包含了类的字段信息，每个字段都有其名称、描述符、访问修饰符等。

• 方法表集合（Methods）
  方法表包含了类的方法信息，包括方法的名称、返回类型、参数列表、局部变量表、字节码指令等。

• 属性表集合（Attributes）
  属性表可以包含多种不同的属性，如代码（Code）属性包含了实际的字节码指令、行号表、异常处理表等；SourceFile属性表示源代码文件的名称；还有其他如Deprecated、Synthetic等属性。

• 字节码（Bytecode）
  方法的字节码是JVM执行的指令集，定义了方法的行为。

• 栈映射表（Stack Map Table）
  在较新的JVM版本中，栈映射表用于支持字节码的验证和JIT编译器的优化。

• 异常表（Exception Table）
  如果方法中有try-catch块，异常表将列出可能抛出的异常类型和异常处理器。

这些组成部分共同定义了Java类的结构和行为，使得JVM能够加载和执行Java程序。开发者通常不会直接编辑.class 文件，而是通过Java源代码进行编程，并利用编译器生成这些字节码文件。

2、类加载阶段

Java 类加载过程是 Java 运行时环境中的一个关键特性，它涉及到将 Java 类（通常是 .class 文件）加载到 JVM（Java 虚拟机）中，并为类的实例化和执行做准备。类加载过程大致可以分为以下几个阶段：

（1）、加载（Loading）

加载是类加载过程的第一个阶段，在这个阶段，JVM 完成以下任务：

• 通过类的全名查找 .class 文件。

• 加载 .class 文件到内存中，通常使用二进制形式。

• 通过解析常量池中的符号引用（如类名、方法名、字段名等），将它们转换为直接引用。

  
  

（2）、验证（Verification）

验证阶段确保加载的类信息是合法的、符合JVM规范的，不会危害虚拟机安全。验证包括以下几个方面：

• 文件格式验证：确保 .class 文件符合Java类文件的规范。

• 元数据验证：检查类的结构信息，如访问修饰符、类和接口的继承关系等。

• 字节码验证：确保字节码的指令不会做出危害虚拟机安全的行为。

• 符号引用验证：确保符号引用能正确解析。

  
  

（3）、准备（Preparation）

准备阶段是为类的静态变量分配内存，并设置初始值。这里的初始值指的是数据类型的零值，如：

• 整数类型 int 的初始值为 0。
• 浮点类型 float 的初始值为 0.0。
• 引用类型（如类、接口、数组）的初始值为 null。
• boolean 类型的初始值为 false。
• char 类型的初始值为 \u0000（Unicode编码中的空字符）。

（4）、解析（Resolution）

解析阶段是将常量池中的符号引用转换为直接引用的过程。直接引用是指向内存中的直接地址。解析包括：

• 类或接口的解析。

• 字段的解析。

• 方法的解析。

• 接口方法的解析。

• 字段和方法的访问权限的解析。

  
  

（5）、初始化（Initialization）

初始化是类加载的最后一个阶段，它包括：

• 执行静态初始化块（使用 static 关键字声明的代码块）。
• 为静态变量赋予正确的初始值。
• 如果类具有超类（除了 Object 类之外），则先初始化其超类。

执行顺序和触发条件：

• 类的加载过程是按照上面列出的顺序进行的，但并不是所有的类都会经过所有阶段。例如，如果一个类没有进行任何静态变量的赋值操作，那么它可能不会进入初始化阶段。
• 类的加载是由某个特定的动作触发的，如 new 关键字实例化对象、访问静态字段、调用静态方法等。

注意事项：

• 类加载器不仅仅加载 .class 文件，它还负责加载包和其他资源文件。
• 类加载过程是线程安全的。
• 类加载器的父子委派模型确保了Java核心库的安全性，防止核心库被随意替换。

通过以上各个阶段，JVM 确保了类的安全性、一致性和可用性，为类的执行提供了必要的准备和初始化工作。

3、解释和执行阶段

加载完成后，执行引擎负责解释和执行字节码指令。执行引擎主要由解释器和即时编译器(JIT)两部分组成。解释器逐条解释字节码，JIT则能够动态编译热点代码为优化后的本地机器码以提高执行效率。

执行引擎通常包括以下部分：

• 字节码解释器：负责逐条解释执行字节码。

• 即时编译器：负责将热点字节码编译为机器码。

• 代码优化器：负责对编译后的机器码进行进一步的优化。

• 代码缓存：存储编译后的机器码，供后续执行使用。

  
  

(1)、解释执行（Interpretation）

执行引擎的一种基本工作模式是解释执行。在这种模式下，执行引擎逐条读取字节码，并根据字节码执行相应的操作。这种方式类似于我们在学习编程时使用的解释器。

过程：

• 第一步，字节码扫描：执行引擎从PC寄存器（程序计数器）指向的字节码指令开始执行。

• 第二步，解释执行：对每条字节码进行解释，并执行其对应的操作。

• 第三步，状态更新：更新操作数栈、局部变量表和程序计数器等状态。

• 第四步，循环执行：继续扫描下一条字节码，直到方法执行完毕或遇到返回指令。

  
  

（2）、即时编译（Just-In-Time Compilation， JIT）

为了提高程序的执行效率，现代JVM通常采用即时编译技术。即时编译器将热点代码（频繁执行的代码）编译为本地机器码，以提高执行速度。

过程：

• 第一步，代码选择：JIT编译器选择需要编译的热点代码，这些代码可能是被多次调用的方法或循环体。

• 第二步，编译优化：JIT编译器将字节码编译为机器码，并进行优化，如分支预测、循环展开等。

• 第三步，本地代码缓存：编译后的机器码被存储在执行引擎的代码缓存中，以便重复使用。

• 第四步，执行本地代码：执行引擎直接执行编译后的机器码，而不是逐条解释字节码。

  
  

（3）、热点代码探测（HotSpot Code Detection）

为了确定哪些代码需要即时编译，JVM需要能够探测热点代码。这通常通过以下方式实现：

• 计数器：为每个方法入口和循环回边设置计数器，统计执行次数。
• 阈值设定：当计数器达到一定阈值时，认为该代码是热点代码，适合进行即时编译。

（4）、多版本优化（Multi-Versioning）

为了进一步优化性能，JVM可以为同一段代码生成多个版本，以适应不同的执行环境或条件。例如，基于处理器的CPU架构特点，生成优化的机器码。

JVM的执行引擎是实现Java程序高效运行的关键。通过解释执行和即时编译，执行引擎能够在保持跨平台特性的同时，提供接近本地编译语言的性能。随着JVM技术的发展，执行引擎的优化策略也在不断进步，以满足日益增长的性能需求。

4、内存管理阶段

Java虚拟机负责自动分配和管理堆、栈、方法区等运行时数据区域。其中垃圾收集器(GC)通过跟踪可达性分析，自动回收无用对象的内存空间。

JVM内存管理是确保Java程序高效运行的关键环节。JVM内存管理主要包括以下几个阶段：

（1）、类加载过程中的内存分配

当JVM开始加载一个类时，它会为这个类分配内存以存储类的元数据。这包括类的信息、字段、方法等。这个阶段的内存分配是在方法区（Method Area）进行的。

（2）、对象创建时的内存分配

当使用new关键字创建一个对象时，JVM会在堆（Heap）中为这个新对象分配内存。堆是JVM中用于存储对象实例和数组的部分。

过程：

• 确定对象大小：JVM首先确定对象所需的内存大小。

• 内存分配：在堆中找到足够大的连续空间分配给对象。

• 对象头信息设置：设置对象头（Mark Word），包含对象的哈希码、GC信息、锁状态等。

• 初始化：执行<init>方法，对对象进行初始化。

  
  

（3）、 运行时的内存管理

在程序运行期间，JVM需要不断管理内存的使用，包括局部变量的创建和销毁，以及对对象的访问。

过程：

• 局部变量表：方法执行时，其局部变量会在栈（Stack）的局部变量表中分配空间。

• 操作数栈：方法执行过程中，临时数据会在操作数栈中存取。

• 引用访问：通过引用访问堆中的对象，进行读写操作。

  
  

（4）、垃圾收集（Garbage Collection， GC）

JVM周期性地执行垃圾收集，回收不再被引用的对象所占用的内存。

过程：

• 可达性分析：从一系列的GC Roots开始，标记所有可达的对象。
• 清理：清除未被标记的对象，回收内存。
• 内存整理：可选地整理内存，减少碎片。

（5）、 内存分配和回收策略

JVM使用不同的算法和策略来优化内存的分配和回收。例如：

• 复制算法：用于新生代，将内存分为一个eden区和两个survivor区，对象在这些区域之间复制。
• 标记-清除算法：用于老年代，首先标记所有存活的对象，然后清除未被标记的对象。
• 标记-清除-整理：在标记-清除的基础上，对内存进行整理，消除碎片。

（6）、内存分配的并发处理

为了避免在内存分配和回收过程中的Stop-The-World现象，JVM采用了并发处理机制：

• 并发标记：在应用程序运行的同时进行对象的标记。
• 并发清理：在应用程序运行的同时进行内存的清理。
• 增量收集：将垃圾收集过程分步骤执行，减少GC暂停时间。

（7）、 内存溢出处理

当JVM的内存不足时，会抛出内存溢出异常。例如，堆内存不足时会抛出OutOfMemoryError。

JVM内存管理是一个复杂的过程，涉及到内存的分配、垃圾收集、内存整理和并发处理等多个方面。通过有效的内存管理策略，JVM确保了Java程序的高效运行，同时提供了自动内存管理和垃圾回收功能，简化了内存管理的复杂性。了解JVM内存管理的工作原理对于Java开发者来说是非常重要的，它有助于我们编写更高效的程序，并在遇到性能问题时能够快速定位和解决。

// GC示例
public static void main(String[] args) {
   byte[] array = new byte[1024 * 1024 * 50]; //50MB数组
   array = null; // 数组不可访问
   System.gc(); // 触发GC
}

5、执行子系统阶段

JVM执行子系统不仅仅是执行字节码的组件，它还提供了与操作系统之间通信的能力，支持线程同步、文件I/O等操作。以下是执行子系统在这些方面的作用和实现方式：

(1)、线程管理

JVM执行子系统负责管理Java程序中的线程。每个线程在操作系统中都对应一个内核线程，JVM需要管理这些线程的创建、同步、调度和终止。

• 线程创建

  • Java程序通过Thread类或Runnable接口启动新线程。JVM负责将这些线程映射到操作系统的线程。

• 线程同步

  • JVM提供了同步机制，包括synchronized关键字和java.util.concurrent包中的并发工具，以确保线程安全。

• 线程调度

  • JVM执行子系统与操作系统的调度器协作，管理线程的执行顺序和时间分配。

    
    

（2）、系统调用

JVM提供了对本地系统调用的接口，使得Java程序能够执行操作系统级别的操作。

JVM通过本地库接口（如Java Native Interface， JNI）允许Java代码调用本地方法，实现与操作系统的交互。

（3）、文件I/O 及操作

JVM执行子系统支持文件输入输出操作，使得Java程序能够读写文件。

I/O操作：

Java程序使用java.io和java.nio包中的类进行文件I/O操作。JVM负责将这些操作映射到对应的操作系统I/O调用。

（4）、网络通信

JVM支持网络通信，使得Java程序能够进行网络连接和数据传输。

网络I/O：

Java程序使用java.net包中的类进行网络编程。JVM负责网络连接的建立、数据的发送和接收。

（5）、 安全性

JVM执行子系统还负责执行安全策略，确保Java程序不会执行有害的系统操作。

（6）、安全管理器

JVM提供了安全管理器（java.lang.SecurityManager），可以监控和限制程序对系统资源的访问。

（7）、 性能监控与优化

JVM执行子系统还包括性能监控和优化工具，帮助开发者了解程序的运行情况，并进行性能调优。

JVM执行子系统是Java程序与操作系统之间的桥梁。它不仅负责执行字节码，还提供了线程管理、内存管理、系统调用、文件I/O、网络通信等能力，确保Java程序能够高效、安全地运行。通过JVM执行子系统，Java程序能够充分利用操作系统提供的资源和功能。

以上就是Java虚拟机的基本工作流程，体现了JVM为Java提供了一个安全、高效的运行环境。

三、Java虚拟机的应用场景

Java虚拟机为我们提供了无数的便利，可以在以下场景大显身手:

• 跨平台应用开发

  JVM的存在使得Java可以运行于任何安装了虚拟机的平台，从而实现了跨平台的能力，如Android应用、嵌入式设备、云服务器等。

• 大数据分析

  Hadoop、Spark等大数据处理框架都是建立在JVM之上，利用其高效的内存管理和多线程支持，极大提高了分布式计算能力。

• 中间件服务

  Java的各种应用服务器中间件如WebLogic、WebSphere、Tomcat等，都是基于JVM构建的，发挥了JVM提供的跨平台、高效、安全等特性。

总之，Java虚拟机作为Java技术体系的根基，贯穿于Java应用的方方面面。了解JVM的工作原理和特性，将使我们能够编写出更加高效、可靠的程序。期待在下期与您分享更多关于JVM调优和故障排查的干货知识，敬请期待!

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