JVM 是一種抽象的計算機，基于堆棧架構，它有自己的指令集和內存管理，是 Java 跨平臺的依據(jù)，JVM解釋執(zhí)行字節(jié)碼，或將字節(jié)碼編譯成本地代碼執(zhí)行。Java 虛擬機體系結構如下：

Class File

Class File 是平臺無關的二進制文件，包含著能被JVM執(zhí)行的字節(jié)碼，其中多字節(jié)采用大端序，字符使用一種改進的UTF-8編碼。Class文件精確的描述了一個類或接口的信息，其中包括：

• 常量池：數(shù)值和字符串字面常量，元數(shù)據(jù)如類名、方法名稱、參數(shù)，以及各種符號引用
• 方法的字節(jié)碼指令，參數(shù)個數(shù)，局部變量，最大操作數(shù)棧深度，異常等信息

Class Loader

類加載器，JVM在類首次使用時動態(tài)的加載、鏈接和初始化。JVM默認的加載模型是雙親委派模型，類加載器之間存在父子關系的層次結構，內部使用組合實現(xiàn)。此外還有其他的加載方式，比如Servlet加載，它先嘗試自己加載，不成功再委派上層加載器，類隔離；OSGI加載器之間是一種網(wǎng)狀的依賴關系，沒有上下層的區(qū)分，比較靈活。

加載

加載就是將Class文件表示的類或接口，在JVM方法區(qū)中創(chuàng)建一個與之對應的java.lang.Class對象，像Class.forName()、ClassLoader.loadClass()、反射都能觸發(fā)類加載。當觸發(fā)一個類加載時，詳細的過程如下：

• 檢查類是否已經(jīng)被加載
• 將加載請求委派給上層類加載器
• 自己嘗試搜索類并加載

當ClassLoader在classpath中未找到類文件，會拋出ClassNotFoundException；當類A引用類B，類A已經(jīng)成功加載，但是加載B時未找到類文件，會拋出NoClassDefFoundError。JVM有以下幾種類加載器：

• Bootstrap ClassLoader，啟動類加載器，加載 <java_home>\jre\lib 中 Java 核心類庫
• Extension ClassLoader，擴展類加載器，加載 <java_home>\jre\lib\ext 中的類
• System ClassLoader，系統(tǒng)類加載器，也叫應用程序類加載器（Application class loader），加載 CLASSPATH 環(huán)境變量中的類

鏈接

• 驗證：確保class文件的正確性。
• 準備：為類靜態(tài)字段分配內存并初始化為默認值，不會執(zhí)行任何字節(jié)碼指令。
• 解析：將符號引用轉為方法區(qū)（運行時常量池）直接引用

初始化

執(zhí)行類初始化方法，即賦值靜態(tài)字段，執(zhí)行靜態(tài)塊，順序按照其定義的先后。父類的靜態(tài)域會先于子類靜態(tài)域初始化。

至此，一個類或接口被加載到了內存中，JVM會保證整個過程是線程安全的。需要注意的是整個過程沒有涉及到任何實例對象。

運行時數(shù)據(jù)區(qū)

1. Method Area：線程共享，存儲運行時常量池、類字段和方法信息、靜態(tài)變量和方法的字節(jié)碼，是堆的邏輯組成部分，這部分的垃圾回收是可選的。值得一提的是Hotspot JVM自JDK8之后，調整了這部分內存的內容，class meta-data的分配使用本地內存，interned String和類靜態(tài)變量移動到了Java堆。

2. 運行時常量池：對于JVM來說具有核心作用，基本上涉及到方法或字段，JVM就會在運行時常量池中搜索其具體的內存地址。

3. Heap：線程共享，存儲實例對象，實例變量以及數(shù)組，是垃圾回收的主要區(qū)域。

4. JVM Stack：線程私有，用于存儲棧幀，當方法被調用時會創(chuàng)建一個棧幀入棧，棧幀由以下幾部分組成：

• 局部變量表：從0開始存儲this、方法參數(shù)、局部變量。
• 操作數(shù)棧：方法的工作區(qū)，在操作數(shù)棧和局部變量之間交換數(shù)據(jù)，存儲中間結果，操作數(shù)棧深度在編譯時就能確定。
• 幀數(shù)據(jù)：方法返回值，異常分派，以及當前方法所在類運行時常量池的引用。

5. PC Register：線程私有，保存當前指令地址，執(zhí)行后指向下一條指令地址。

6. Native Method Stack：線程私有，存儲本地方法信息，C或C++棧。

執(zhí)行引擎

讀取、翻譯、執(zhí)行字節(jié)碼。JVM基于棧架構，這個棧就是操作數(shù)棧，字節(jié)碼指令就是通過它進行各種運算。此外還有基于寄存器的虛擬機。

• Interpreter，翻譯：解釋字節(jié)碼比較快，執(zhí)行慢，缺點是每次方法調用都要重新翻譯解釋一遍。
• JIT Compiler，即時編譯：找出程序中頻繁調用的熱點方法，將字節(jié)碼編譯成本地代碼，提高性能。
• Garbage Collector，垃圾收集器：回收無效對象，判斷對象是否可回收，可采用不同的垃圾回收算法。

本地方法接口和庫

JNI，調用本地方法，c/c++庫；執(zhí)行引擎所需的本地方法庫。

小結

主流JVM的實現(xiàn)有Oracle的Hotspot JVM、JRockit以及IBM的JVM。說到JVM調優(yōu)，默認指的就是Hotspot VM，足見其流行程度。如今搞Java不去了解JVM就顯得有點low了-v-。

要想寫出高質量代碼，不僅要了解JVM，像調優(yōu)，問題排查等都需要完備的計算機基礎知識，其實無論用什么語言開發(fā)，都是一個構建和完善自身計算機知識體系的過程。

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