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JAVA虚拟机知识总结

时间：2020-06-21 15:49:27   收藏：0   阅读：48

jvm系列(一):java类的加载机制

1、什么是类的加载

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个 java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的 Class对象， Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

技术图片

 

类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误（LinkageError错误）如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误

加载.class文件的方式

2、类的生命周期

技术图片

 

其中类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。在这五个阶段中，加载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的，而解析阶段则不一定，它在某些情况下可以在初始化阶段之后开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也成为动态绑定或晚期绑定）。另外注意这里的几个阶段是按顺序开始，而不是按顺序进行或完成，因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段。

加载

查找并加载类的二进制数据加载时类加载过程的第一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

相对于类加载的其他阶段而言，加载阶段（准确地说，是加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载，也可以自定义自己的类加载器来完成加载。

加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，而且在Java堆中也创建一个 java.lang.Class类的对象，这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

连接

验证：确保被加载的类的正确性

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用 -Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

准备：为类的 静态变量分配内存，并将其初始化为默认值

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意：

假设一个类变量的定义为： publicstaticintvalue=3；

那么变量value在准备阶段过后的初始值为0，而不是3，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为3的 publicstatic指令是在程序编译后，存放于类构造器 <clinit>（）方法之中的，所以把value赋值为3的动作将在初始化阶段才会执行。

这里还需要注意如下几点：

假设上面的类变量value被定义为： publicstaticfinalintvalue=3；

编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据 ConstantValue的设置将value赋值为3。我们可以理解为static final常量在编译期就将其结果放入了调用它的类的常量池中

解析：把类中的符号引用转换为直接引用

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。

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。

初始化

初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值，JVM负责对类进行初始化，主要对类变量进行初始化。在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式：

JVM初始化步骤

类初始化时机：只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下六种：

结束生命周期

在如下几种情况下，Java虚拟机将结束生命周期

3、类加载器

寻找类加载器，先来一个小例子

package com.neo.classloader;
public class ClassLoaderTest {
     public static void main(String[] args) {
        ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        System.out.println(loader);
        System.out.println(loader.getParent());
        System.out.println(loader.getParent().getParent());
    }
}

运行后，输出结果：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@64fef26a

sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1ddd40f3

null

从上面的结果可以看出，并没有获取到 ExtClassLoader的父Loader，原因是 BootstrapLoader（引导类加载器）是用C语言实现的，找不到一个确定的返回父Loader的方式，于是就返回null。

这几种类加载器的层次关系如下图所示：

技术图片

 

注意：这里父类加载器并不是通过继承关系来实现的，而是采用组合实现的。

站在Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：启动类加载器：它使用C++实现（这里仅限于Hotspot，也就是JDK1.5之后默认的虚拟机，有很多其他的虚拟机是用Java语言实现的），是虚拟机自身的一部分；所有其它的类加载器：这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机之外，并且全部继承自抽象类 java.lang.ClassLoader，这些类加载器需要由启动类加载器加载到内存中之后才能去加载其他的类。

站在Java开发人员的角度来看，类加载器可以大致划分为以下三类：

启动类加载器： BootstrapClassLoader，负责加载存放在 JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安装目录，下同)下，或被 -Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库（如rt.jar，所有的java.开头的类均被 BootstrapClassLoader加载）。启动类加载器是无法被Java程序直接引用的。
扩展类加载器： ExtensionClassLoader，该加载器由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载 JDK\jre\lib\ext目录中，或者由 java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库（如javax.开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。
应用程序类加载器： ApplicationClassLoader，该类加载器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

应用程序都是由这三种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，我们还可以加入自定义的类加载器。因为JVM自带的ClassLoader只是懂得从本地文件系统加载标准的java class文件，因此如果编写了自己的ClassLoader，便可以做到如下几点：

JVM类加载机制

4、类的加载

类加载有三种方式：

例子：

 

package com.neo.classloader;
public class loaderTest { 
        public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException { 
                ClassLoader loader = HelloWorld.class.getClassLoader(); 
                System.out.println(loader); 
                //使用ClassLoader.loadClass()来加载类，不会执行初始化块 
                loader.loadClass("Test2"); 
                //使用Class.forName()来加载类，默认会执行初始化块 
                //Class.forName("Test2"); 
                //使用Class.forName()来加载类，并指定ClassLoader，初始化时不执行静态块 
                //Class.forName("Test2", false, loader); 
        } 
}
demo类
public class Test2 { 
        static { 
                System.out.println("静态初始化块执行了！"); 
        } 
}

 

分别切换加载方式，会有不同的输出结果。

Class.forName()和ClassLoader.loadClass()区别

5、双亲委派模型

双亲委派模型的工作流程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上，因此，所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类时，即无法完成该加载，子加载器才会尝试自己去加载该类。

双亲委派机制:

ClassLoader源码分析：

public Class<?> loadClass(String name)throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(name, false);
}
 
protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException {

        // 首先判断该类型是否已经被加载
        Class c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            //如果没有被加载，就委托给父类加载或者委派给启动类加载器加载
            try {
                if (parent != null) {
                     //如果存在父类加载器，就委派给父类加载器加载
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                //如果不存在父类加载器，就检查是否是由启动类加载器加载的类，通过调用本地方法native Class findBootstrapClass(String name)
                    c = findBootstrapClass0(name);
                }

            } catch (ClassNotFoundException e) {
             // 如果父类加载器和启动类加载器都不能完成加载任务，才调用自身的加载功能
                c = findClass(name);
            }
        }

        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;

    }

 

双亲委派模型意义：

6、自定义类加载器

通常情况下，我们都是直接使用系统类加载器。但是，有的时候，我们也需要自定义类加载器。比如应用是通过网络来传输 Java类的字节码，为保证安全性，这些字节码经过了加密处理，这时系统类加载器就无法对其进行加载，这样则需要自定义类加载器来实现。自定义类加载器一般都是继承自 ClassLoader类，从上面对 loadClass方法来分析来看，我们只需要重写 findClass 方法即可。下面我们通过一个示例来演示自定义类加载器的流程：

package com.neo.classloader;
import java.io.*;
 
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    private String root;

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] classData = loadClassData(name);
        if (classData == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } else {
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
    }


    private byte[] loadClassData(String className) {

        String fileName = root + File.separatorChar

                + className.replace(‘.‘, File.separatorChar) + ".class";

        try {

            InputStream ins = new FileInputStream(fileName);

            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();

            int bufferSize = 1024;

            byte[] buffer = new byte[bufferSize];

            int length = 0;

            while ((length = ins.read(buffer)) != -1) {

                baos.write(buffer, 0, length);

            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        return null;

    }

    public String getRoot() {
        return root;
    }

    public void setRoot(String root) {

        this.root = root;

    }
 
    public static void main(String[] args)  {
 
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();

        classLoader.setRoot("E:\\temp");

        Class<?> testClass = null;

        try {

            testClass = classLoader.loadClass("com.neo.classloader.Test2");

            Object object = testClass.newInstance();

            System.out.println(object.getClass().getClassLoader());

        } catch (ClassNotFoundException e) {

            e.printStackTrace();

        } catch (InstantiationException e) {

            e.printStackTrace();

        } catch (IllegalAccessException e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

}

自定义类加载器的核心在于对字节码文件的获取，如果是加密的字节码则需要在该类中对文件进行解密。由于这里只是演示，我并未对class文件进行加密，因此没有解密的过程。这里有几点需要注意：

jvm系列(二):JVM内存结构

 

所有Java开发人员可能会遇到这样的困惑？我该为堆内存设置多大空间呢？OutOfMemoryError的异常到底涉及到运行时数据的哪块区域？该怎么解决呢？其实如果你经常解决服务器性能问题，那么这些问题就会变的非常常见，了解JVM内存也是为了服务器出现性能问题的时候可以快速的了解那块的内存区域出现问题，以便于快速的解决生产故障。

 

先看一张图，这张图能很清晰的说明JVM内存结构布局。

技术图片 

 

JVM内存结构主要有三大块：堆内存、方法区和栈。堆内存是JVM中最大的一块由年轻代和老年代组成，而年轻代内存又被分成三部分，Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间,默认情况下年轻代按照8:1:1的比例来分配；

 

方法区存储类信息、常量、静态变量等数据，是线程共享的区域，为与Java堆区分，方法区还有一个别名Non-Heap(非堆)；栈又分为java虚拟机栈和本地方法栈主要用于方法的执行。

 

在通过一张图来了解如何通过参数来控制各区域的内存大小

技术图片 

 

控制参数

 

 

没有直接设置老年代的参数，但是可以设置堆空间大小和新生代空间大小两个参数来间接控制。

 

老年代空间大小=堆空间大小-年轻代大空间大小

 

从更高的一个维度再次来看JVM和系统调用之间的关系

技术图片

 

 

 

方法区和堆是所有线程共享的内存区域；而java栈、本地方法栈和程序员计数器是运行是线程私有的内存区域。

 

下面我们详细介绍每个区域的作用

 

Java堆（Heap）

 

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

 

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

 

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。

 

如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

 

方法区（Method Area）

 

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

 

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。

 

Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是有必要的。

 

根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

 

方法区有时被称为持久代（PermGen）。

技术图片

 

 

 

所有的对象在实例化后的整个运行周期内，都被存放在堆内存中。堆内存又被划分成不同的部分：伊甸区(Eden)，幸存者区域(Survivor Sapce)，老年代（Old Generation Space）。

 

方法的执行都是伴随着线程的。原始类型的本地变量以及引用都存放在线程栈中。而引用关联的对象比如String，都存在在堆中。为了更好的理解上面这段话，我们可以看一个例子：

 

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import org.apache.log4j.Logger;

public class HelloWorld {
                  
    private static Logger LOGGER = Logger.getLogger(HelloWorld.class.getName());

    public void sayHello(String message) {

        SimpleDateFormat formatter = new SimpleDateFormat("dd.MM.YYYY");

        String today = formatter.format(new Date());

        LOGGER.info(today + ": " + message);

    }

}

 

这段程序的数据在内存中的存放如下：

技术图片

 

 

 

通过JConsole工具可以查看运行中的Java程序（比如Eclipse）的一些信息：堆内存的分配，线程的数量以及加载的类的个数；

技术图片

 

 

程序计数器（Program Counter Register）

 

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

 

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

 

如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空（Undefined）。

 

此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

 

JVM栈（JVM Stacks）

 

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

 

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

 

其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

 

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

 

本地方法栈（Native Method Stacks）

 

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

 

哪儿的OutOfMemoryError

 

对内存结构清晰的认识同样可以帮助理解不同OutOfMemoryErrors：

    Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

    原因：对象不能被分配到堆内存中

    Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

    原因：类或者方法不能被加载到老年代。它可能出现在一个程序加载很多类的时候，比如引用了很多第三方的库；

    Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit

    原因：创建的数组大于堆内存的空间

    Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: request <size> bytes for <reason>. Out of swap space?

    原因：分配本地分配失败。JNI、本地库或者Java虚拟机都会从本地堆中分配内存空间。

    Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: <reason> <stack trace>（Native method）

    原因：同样是本地方法内存分配失败，只不过是JNI或者本地方法或者Java虚拟机发现

 

维基百科对JVM的介绍

 

Overview of a Java virtual machine (JVM) architecture based on The Java Virtual Machine Specification Java SE 7 Edition

A Java virtual machine (JVM) is an abstract computing machine that enables a computer to run a Java program. There are three notions of the JVM: specification, implementation, and instance. The specification is a document that formally describes what is required of a JVM implementation. Having a single specification ensures all implementations are interoperable. A JVM implementation is a computer program that meets the requirements of the JVM specification. An instance of a JVM is an implementation running in a process that executes a computer program compiled into Java bytecode.

Java Runtime Environment (JRE) is a software package that contains what is required to run a Java program. It includes a Java Virtual Machine implementation together with an implementation of the Java Class Library. The Oracle Corporation, which owns the Java trademark, distributes a Java Runtime environment with their Java Virtual Machine called HotSpot.

Java Development Kit (JDK) is a superset of a JRE and contains tools for Java programmers, e.g. a javaccompiler. The Java Development Kit is provided free of charge either by Oracle Corporation directly, or by the OpenJDK open source project, which is governed by Oracle.

 

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