走进JVM，浅水也能捉鱼

来源：  lrysir 的博客

这不是一篇描述jvm是什么的文章，也不介绍jvm跨平台的特性，也不是讲述jvm安全特性的文章，更不是讲解jvm指令操作，数据运算的文章，本文重点讲述类型的生命周期。

类型的生命周期涉及到：类的装载、jvm体系结构、垃圾回收机制。

为什么要讲jvm体系结构？因为类的装载和垃圾回收机制都和jvm体系结构息息相关。

那么什么是jvm体系结构呢？

当jvm运行起来的时候，它会向系统申请一片内存区（不同的jvm实现可能不同，有些可以使用虚拟内存），将这块内存分出一部分存储许多东西，例如：程序创建的对象，传递给方法的参数，返回值，局部变量等等，我们将这块内存称之为运行时数据区，运行时数据区可以划分成方法区、堆、java栈、pc寄存器、本地方法栈。看到上面这幅图，和这些解说你可能大概的明白jvm体系是个啥样子，但是你或许还不了解运行时数据区里面方法区等用来干嘛的。

方法区：当虚拟机装载一个class文件的时候，它会从这个class文件包含的二进制数据中解析类型信息，然后将这些类型信息放到方法区中。因为方法区是被所有线程共享的，所以必须考虑数据的线程安全。假如两个线程都在试图找lava的类，在lava类还没有被加载的情况下，只应该有一个线程去加载，而另一个线程等待。

PC寄存器：每个新线程产生都将得到自己的pc寄存器以及一个java栈帧。

堆：存放程序运行时产生的所有对象。堆是一个线程共享的内存区，所以我们写多线程程序的时候需要考虑并发。

Java栈：java栈由许多栈帧组成的，如图，当一个线程调用java方法时，虚拟机压入一个新的栈帧到java栈中，当方法返回的时候，这个栈帧被从java栈弹出并被抛弃。

那么现在你应该可以想象到一些jvm是怎么工作的了，是不是应该接着讲具体工作原理了呢？。但是不急，先了解下类的装载机制。

了解类的装载机制之前先了解jvm里面的类装载器：BootstrapLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader；ExtClassLoader（负责装载jre下面的rt.jar,charsets.jar）和AppClassLoader(负责转载classpath下面的类包)是ClassLoader（抽象类）的子类；

BootstrapLoader（负责装载jre核心类库）是根装载器，是c/c++写的，在java里面看不到它。

这三个类装载器存在父子关系，根装载器是ExtClassLoader父装载器，ExtClassLoader是AppClassLoader父装载器；

Jvm中类的装载也是安全机制沙箱模型的第一道门槛。Java装载类使用双亲委派模式即全盘负责委托机制。好现在让我们了解装载大概流程。

当装载一个类的时候，若是由用户指定一个类装载器装载的话，那么那个类装载器会先委派给父类装载器，一直委派到根装载器，如果装载的是一个java.lang.String，由于它是核心类库的而且已经被装载过了，那么就会直接返回一个class对象，那么如果是一个根装载器找不到的类呢？接着就会交给子类（下一级父类）装载器，如果还是没有找到类文件，接着就会由之前用户指定的那个类装载器装载。（这里没有说明装载超类的过程，请勿疏忽）。

如果是有人恶意的写了一个基础类java.lang.String，那么会影响虚拟机吗？不会因为这个类最终会交由根装载器装载，而根装载器只会去jre核心类库加载，最终返回的class类型并不是用户写的String，而且系统自带的String，也就是说用户写String永远不会被加载。

了解了类装载器是怎么工作了之后，我们也需要了解下class文件格式；

TheClassFileStructure
ClassFile{
u4magic;//魔数
u2minor_version;//class次版本号
u2major_version;//class主版本号
u2constant_pool_count;//常量池计数
cp_infoconstant_pool[constant_pool_count-1];//常量池
u2access_flags;//修饰符
u2this_class;//常量池索引
u2interfaces_count;
u2interfaces[interfaces_count];
u2fields_count;
field_infofields[fields_count];
u2methods_count;
method_infomethods[methods_count];
u2attributes_count;
attribute_infoattributes[attrributes_count];
}

我们需要了解的有很多，但是我们难以理解的就是cp_infoconstant_pool常量池。

一个常量池里面有很多表：

CONSTANT_Utf8 UTF-8编码的Unicode字符串

CONSTANT_Integer int类型的字面值

CONSTANT_Float float类型的字面值

CONSTANT_Long long类型的字面值

CONSTANT_Double double类型的字面值

CONSTANT_Class 对一个类或接口的符号引用

CONSTANT_String String类型字面值的引用

CONSTANT_Field ref对一个字段的符号引用

CONSTANT_Method ref对一个类中方法的符号引用

CONSTANT_InterfaceMethod ref对一个接口中方法的符号引用

CONSTANT_NameAndType 对一个字段或方法的部分符号引用

这些表结构我也不解释了，如果对class文件不够了解也没什么关系，知道个大概也行。那么我们了解了jvm体系，类装载器工作流程，那么我们细看下类装载器工作中，jvm运行时数据区的变化，方法区里面的结构等等。

在类装载的过程中，每一个类装载器都会在方法区里面形成一张表，这张表记载着该装载器和对应的类的权限定名。没这么一张表就形成了jvm内部的命名空间。同时在方法区里面还该类的常量池等信息。

那么说到这些，其实这个过程还是很模糊，而且很多知识也落下了，那么我们现在看一个详细一点的装载过程。

当装载一个普通的类的时候，即调用类装载器的loadClass方法，如果希望装载的类还没有被装载到命名空间，那么jvm会传递一个该类型的全限定名给类装载器，也就是常量池CONSTANT_Class_info（该表存储着父类、类装载器等信息）入口的装载器，来试图装载被引用的类型，如果发起引用的类型是被jvm装载器定义的，那么由jvm类装载器装载，否则由用户自定义装载器装载，那么一旦被引用的类型被装载了，jvm仔细检查它的二进制数据，如果类是是一个类，并且不是java.lang.Object。jvm根据数据得到它的全限定名进行装载（递归的应用了）这个过程还需要递归超接口。

装载差不多讲完了，一个完整的过程是：装载连接——初始化。

那么连接和初始化就一带而过了，重点放在垃圾回收。

连接的过程主要是验证（确认类型符合java语言的语义，并且它不会危及虚拟机的完整性）、准备（java虚拟机为类变量分配内存，设计默认初始值）、解析（在类型的常量池中寻找类、接口、字段和方法的符合引用，把这些符号引用替换成直接引用的过程）。

初始化的时候，如果类存在直接超类，且超类还没有被初始化，就先初始化直接超类。初始化接口并不需要初始化它的父接口。

补充：

Jvm当运行某个方法的时候，先把这个方法压入java栈中，里面包含局部变量等信息，那么对象放入哪里呢？压入栈的是对象的引用，即变量，所有的对象都存储在堆中。

为什么要把对象放入堆，把变量之类的数据放入栈呢？说白了，对象太大了，存入栈中运算麻烦。（当然标准的回答不是这样的，我这里仅仅是说明实质）

了解了这么一个过程之后，我们必然要了解垃圾回收机制了。

基本回收算法

1. 引用计数：比较古老的回收算法。原理是此对象有一个引用，即增加一个计数，删除一个引用则减少一个计数。垃圾回收时，只用收集计数为0的对象。此算法最致命的是无法处理循环引用的问题。

2. 标记-清除：此算法执行分两阶段。第一阶段从引用根节点开始标记所有被引用的对象，第二阶段遍历整个堆，把未标记的对象清除。此算法需要暂停整个应用，同时，会产生内存碎片。

3. 复制：此算法把内存空间划为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。垃圾回收时，遍历当前使用区域，把正在使用中的对象复制到另外一个区域中。次算法每次只处理正在使用中的对象，因此复制成本比较小，同时复制过去以后还能进行相应的内存整理，不过出现碎片问题。当然，此算法的缺点也是很明显的，就是需要两倍内存空间。

4. 标记-整理：此算法结合了标记-清除和复制两个算法的优点。也是分两阶段，第一阶段从根节点开始标记所有被引用对象，第二阶段遍历整个堆，把清除未标记对象并且把存活对象压缩到堆的其中一块，按顺序排放。此算法避免了标记-清除的碎片问题，同时也避免了复制算法的空间问题。

5. 增量收集：实施垃圾回收算法，即：在应用进行的同时进行垃圾回收。

6. 分代：基于对对象生命周期分析后得出的垃圾回收算法。把对象分为年青代、年老代、持久代，对不同生命周期的对象使用不同的算法（上述方式中的一个）进行回收。现在的垃圾回收器（从J2SE1.2开始）都是使用此算法的。

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