一、Java運(yùn)行原理

　　1、高級(jí)語(yǔ)言運(yùn)行過(guò)程

　　在程序真正運(yùn)行在CPU上之前，必須要讓OS的kernel理解我們?cè)诰庉嬈骰蛘逫DE里根據(jù)每種語(yǔ)言的語(yǔ)法規(guī)則敲入的源代碼，kernel才能做出相關(guān)的調(diào)度，所以需要先將源代碼轉(zhuǎn)化成可執(zhí)行的二進(jìn)制文件，這個(gè)過(guò)程通常由編譯器完成。有些編譯器直接將源代碼編譯成機(jī)器碼，載入內(nèi)存后CPU可以直接運(yùn)行。而機(jī)器碼的格式與跟具體的CPU架構(gòu)相關(guān)連，例如ARMCPU無(wú)法理解IntelCPU機(jī)器碼。因此，同樣的源代碼需要根據(jù)不同的硬件進(jìn)行特定的編譯。高級(jí)語(yǔ)言轉(zhuǎn)換到低級(jí)語(yǔ)言的橋梁就是編譯器。程序員寫好源代碼，編譯器將源碼編譯成可執(zhí)行的機(jī)碼，然后CPU讀取機(jī)器碼，執(zhí)行程序。

　　2、Java語(yǔ)言的執(zhí)行過(guò)程

　　寬泛地講，Java源代碼（.java)經(jīng)過(guò)java編譯器（javac.exe）編譯之后，并沒(méi)有直接轉(zhuǎn)化為機(jī)器碼，而是轉(zhuǎn)化成一種中間格式——字節(jié)碼(.class)，字節(jié)碼再經(jīng)過(guò)Java虛擬機(jī)解釋，轉(zhuǎn)化成機(jī)器碼，然后經(jīng)由操作系統(tǒng)到達(dá)CPU運(yùn)行。整個(gè)執(zhí)行過(guò)程如下圖所示：

　　

　　Java的跨平臺(tái)是基于JVM虛擬機(jī)這一中間物來(lái)實(shí)現(xiàn)的，Java源程序經(jīng)過(guò)編譯器編譯后生成虛擬機(jī)能夠理解的字節(jié)碼(ByteCode——class文件的內(nèi)容），虛擬機(jī)將每一條要執(zhí)行的字節(jié)碼送給解釋器，解釋器將其翻譯成特定系統(tǒng)上的機(jī)器碼，然后在特定的機(jī)器上運(yùn)行。每一種平臺(tái)的解釋器是不同的，但是實(shí)現(xiàn)的虛擬機(jī)是相同的。

　　3、JVM——JavaVirtualMachine

　　JVM是一個(gè)虛構(gòu)出來(lái)的計(jì)算機(jī)，通過(guò)在實(shí)際的計(jì)算機(jī)上仿真模擬各種計(jì)算機(jī)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。JVM有自己完善的硬件架構(gòu)，如處理器、堆棧、寄存器等，還具有相應(yīng)的指令系統(tǒng)。JVM的主要工作是解釋自己的指令集（即字節(jié)碼）并映射到本地的CPU的指令集或OS的系統(tǒng)調(diào)用。

　　三、JVM的體系結(jié)構(gòu)

　　ClassLoader：類裝載器，從入口處開(kāi)始按需加載.class文件，填充這些數(shù)據(jù)到運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

　　ExecutionEngine：執(zhí)行引擎，JVM的CPU，不斷地取指令，JIT編譯翻譯執(zhí)行字節(jié)碼，或者執(zhí)行本地方法

　　RuntimeDataAreas：運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，核心區(qū)，運(yùn)行的時(shí)候操作所分配的內(nèi)存區(qū)，包括方法區(qū)、堆、java棧、PC寄存器、本地方法棧

　　1、類加載器

　　類加載器加載其實(shí)就是根據(jù)編譯后的Class文件，將Java字節(jié)碼載入JVM內(nèi)存，并完成對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)處于的初始化工作，供執(zhí)行引擎執(zhí)行。

　　類加載過(guò)程：

　　裝載——鏈接（驗(yàn)證，準(zhǔn)備，解析）——初始化

　　1.Loading：，找到二進(jìn)制字節(jié)碼（Class文件）并加載至JVM內(nèi)存中，標(biāo)識(shí)一個(gè)被加載的類：類名+類所在的包名+ClassLoaderinstanceID

　　2.Linking：

　　Verifying：驗(yàn)證元數(shù)據(jù)，文件格式，字節(jié)碼等，確保class文件包含的字節(jié)碼信息符合JVM的規(guī)范，以免危及JVM安全；

　　Preparing：準(zhǔn)備分配給類所需要內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，指示在類中定義的字段、方法和接口；

　　Resolving：對(duì)類中的所有屬性、方法進(jìn)行驗(yàn)證，以確保其需要調(diào)用的屬性、方法存在，以及具備應(yīng)的權(quán)限；符號(hào)引用的轉(zhuǎn)換等

　　3.Initialing：初始化執(zhí)行類中的靜態(tài)初始化代碼、構(gòu)造器代碼以及靜態(tài)屬性

　　類裝載器類型：

　　啟動(dòng)類裝載器：JVM實(shí)現(xiàn)的一部分；

　　用戶自定義類裝載器：是Java程序的一部分，必須是ClassLoader類的子類。

　　類裝載順序：

　　Jvm啟動(dòng)時(shí)，由Bootstrap向User-Defined方向加載類；應(yīng)用進(jìn)行ClassLoader時(shí)，由User-Defined向Bootstrap方向查找并加載類；

　　類加載采用父類委托制，子加載器能查詢父加載器已緩存類，委托只能從下到上，反之不行。類加載器可以加載一個(gè)類，但是它不能卸載一個(gè)類。但是類加載器可以被刪除或者被創(chuàng)建。一個(gè)類可以被不同的類加載器加載。

　　BootstrapClassLoader

　　JVM的根ClassLoader，它是用C++實(shí)現(xiàn)的，在JVM啟動(dòng)的時(shí)候創(chuàng)建，負(fù)責(zé)裝載$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar（SunJDK的實(shí)現(xiàn)）中所有class文件，這個(gè)jar中包含了Java規(guī)范定義的所有接口以及實(shí)現(xiàn)。

　　ExtensionClassLoader

　　裝載除了基本的JavaAPI以外的擴(kuò)展類，它也負(fù)責(zé)裝載其他的安全擴(kuò)展功能。

　　SystemClassLoader

　　負(fù)責(zé)加載應(yīng)用程序類，加載啟動(dòng)參數(shù)中指定的Classpath中的jar包以及目錄，在SunJDK中ClassLoader對(duì)應(yīng)的類名為AppClassLoader。

　　User-DefinedClassLoader

　　Java開(kāi)發(fā)人員繼承ClassLoader抽象類自行實(shí)現(xiàn)的ClassLoader，基于自定義的ClassLoader可用于加載非Classpath中的jar以及目錄。

　　2、執(zhí)行引擎

　　類加載器將.class文件載入內(nèi)存之后，執(zhí)行引擎以Java字節(jié)碼指令為單元，讀取Java字節(jié)碼；而后由解釋器或者即時(shí)編譯器（JITCompiler）將字節(jié)碼轉(zhuǎn)化成平臺(tái)相關(guān)的機(jī)器碼。

　　JVM實(shí)現(xiàn)技術(shù)：

　　解釋器：第一代JVM，一條一條地讀取，解釋并且執(zhí)行字節(jié)碼指令。因?yàn)樗粭l一條地解釋和執(zhí)行指令，所以它可以很快地解釋字節(jié)碼，但是執(zhí)行起來(lái)會(huì)比較慢。這是解釋執(zhí)行的語(yǔ)言的一個(gè)缺點(diǎn)。字節(jié)碼這種“語(yǔ)言”基本來(lái)說(shuō)是解釋執(zhí)行的。

　　

　　即時(shí)編譯器（just-in-timecompiler）：第二代JVM，狹義來(lái)說(shuō)是當(dāng)某段代碼即將第一次被執(zhí)行時(shí)進(jìn)行編譯，將class類文件解釋成二進(jìn)制文件后的結(jié)果緩存下來(lái)，當(dāng)?shù)诙螆?zhí)行時(shí)直接從緩存中取，因此JIT依賴更多內(nèi)存緩存解釋的結(jié)果。JIT編譯是動(dòng)態(tài)編譯的一種特例。JIT編譯一詞后來(lái)被泛化，時(shí)常與動(dòng)態(tài)編譯等價(jià)；但要注意寬泛與狹義的JIT編譯所指的區(qū)別。

　　

　　自適應(yīng)編譯器（adaptivecompiler）：柔和第一代和第二代JVM，也是動(dòng)態(tài)編譯的一種，但它通常執(zhí)行的時(shí)機(jī)比JIT編譯遲，先讓程序“以某種形式”先運(yùn)行起來(lái)，收集一些信息之后再做動(dòng)態(tài)編譯，也就是說(shuō)在所有執(zhí)行過(guò)的代碼里只尋找一部分來(lái)編譯；而”收集信息”決定了編譯哪部分代碼，換個(gè)角度說(shuō)“收集信息”就是在程序運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)控代碼執(zhí)行的頻率，自動(dòng)緩存利用率高的代碼，這樣的編譯可以更加優(yōu)化。這個(gè)”某種形式”可以稱為“baselineexecution“，可以由解釋器或簡(jiǎn)單的JIT編譯器承擔(dān)。

　　

　　HotSpot是一個(gè)JVM的實(shí)現(xiàn)，得名于它得混合模式執(zhí)行引擎（包括解釋器和自適應(yīng)編譯器），這個(gè)JVM最初由Longview/Animorphic實(shí)現(xiàn)，隨著公司被Sun/JavaSoft收購(gòu)而成為Sun的JVM，并于JDK1.3.0開(kāi)始成為Sun的JavaSE的主要JVM。在Sun被Oracle收購(gòu)后，現(xiàn)在HotSpotVM是Oracle的JavaSE的主要JVM。HotSpot是較新的JVM，用來(lái)代替JIT(JustinTime)，Java原先是把源代碼編譯為字節(jié)碼在虛擬機(jī)執(zhí)行，這樣執(zhí)行速度較慢；而HotSpot將最需要編譯的“熱點(diǎn)”代碼編譯為本地(原生native)代碼，如果已經(jīng)被編譯成本地代碼的字節(jié)碼不再被頻繁調(diào)用了，那么HotspotVM會(huì)把編譯過(guò)的本地代碼從cache里移除，并且重新按照解釋的方式來(lái)執(zhí)行它，這樣顯著提高了性能。HotSpotVM參數(shù)可以分為規(guī)則參數(shù)(standardoptions)和非規(guī)則參數(shù)(non-standardoptions)。HotspotVM分為ServerVM和ClientVM兩種，這兩種VM使用不同的JIT編譯器。

　　3、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

　　當(dāng)運(yùn)行一個(gè)JVMInstance時(shí)，系統(tǒng)將分配給它一塊內(nèi)存區(qū)域（大小可設(shè)置），這一內(nèi)存區(qū)域由JVM自行管理。從這一塊內(nèi)存中分出一塊用來(lái)存儲(chǔ)一些運(yùn)行數(shù)據(jù)，例如創(chuàng)建的對(duì)象，傳遞給方法的參數(shù)，局部變量，返回值等等。這一塊內(nèi)存就稱為運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)域。運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)域可以劃分為6大塊：Java棧、程序計(jì)數(shù)寄存器（PC寄存器）、本地方法棧（NativeMethodStack）、Java堆、方法區(qū)域（包括運(yùn)行常量池——RuntimeConstantPool）。其中每個(gè)線程私有程序計(jì)數(shù)器，JVM棧，本地方法棧，方法區(qū)和堆則由JVM實(shí)例中的所有線程共享，在同一個(gè)實(shí)例中可以啟用多個(gè)線程。

　　

　　程序計(jì)數(shù)器

　　每個(gè)線程私有，線程啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，用來(lái)存放當(dāng)前正在被執(zhí)行的字節(jié)碼指令（JVM指令）的地址，如該方法為native的，則PC寄存器中不存儲(chǔ)任何信息。

　　JVM棧

　　每個(gè)線程私有，線程啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。存放著一系列的棧幀（StackFrame），JVM只能進(jìn)行壓入（push）和彈出（pop）棧幀這兩種操作。每當(dāng)調(diào)用一個(gè)方法時(shí)，JVM就往棧里壓入一個(gè)棧幀，方法結(jié)束返回時(shí)彈出棧幀。如果方法執(zhí)行時(shí)出現(xiàn)異常，可用printStackTrace等方法來(lái)查看棧的情況。棧的示意圖如下：

　　

　　每個(gè)棧幀包含三個(gè)部分：本地變量數(shù)組，操作數(shù)棧，方法所屬類的常量池引用

　　LocalVariableArray：從0開(kāi)始按順序存放方法所屬對(duì)象的引用、傳遞給方法的參數(shù)、局部變量。

　　OperandStack：存放方法執(zhí)行時(shí)的一些中間變量，JVM在執(zhí)行方法時(shí)壓入或者彈出這些變量。其實(shí)，操作數(shù)棧是方法真正工作的地方，執(zhí)行方法時(shí)，局部變量數(shù)組與操作數(shù)棧根據(jù)方法定義進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　ReferencetoConstantPool：當(dāng)JVM執(zhí)行到需要常量池的數(shù)據(jù)時(shí)，就是通過(guò)這個(gè)引用來(lái)訪問(wèn)常量池的。棧幀中的數(shù)據(jù)還要負(fù)責(zé)處理方法的返回和異常。如果通過(guò)return返回，則將該方法的棧幀從Java棧中彈出。如果方法有返回值，則將返回值壓入到調(diào)用該方法的方法的操作數(shù)棧中。另外，數(shù)據(jù)區(qū)中還保存中該方法可能的異常表的引用。

　　本地方法棧

　　當(dāng)程序通過(guò)JNI（JavaNativeInterface）調(diào)用本地方法（如C或者C++代碼）時(shí)，就根據(jù)本地方法的語(yǔ)言類型建立相應(yīng)的棧，此區(qū)域用于存儲(chǔ)每個(gè)native方法調(diào)用的狀態(tài)。

　　堆（Heap）

　　堆中存放的是程序創(chuàng)建的對(duì)象實(shí)例以及數(shù)組值的區(qū)域，可以認(rèn)為Java中所有通過(guò)new創(chuàng)建的對(duì)象的內(nèi)存都在此分配。當(dāng)堆中的空間無(wú)法滿足新建對(duì)象所需的內(nèi)存開(kāi)銷，會(huì)有溢出現(xiàn)象而導(dǎo)致程序崩潰，為了避免溢出，當(dāng)對(duì)象執(zhí)行結(jié)束時(shí)，其占據(jù)的內(nèi)存空間需要等待GC（GarbageCollection）進(jìn)行回收，因此這個(gè)區(qū)域?qū)VM的性能影響很大。

　　注意：堆是JVM中所有線程共享的，因此在其上進(jìn)行對(duì)象內(nèi)存的分配均需要進(jìn)行加鎖，導(dǎo)致了new對(duì)象的開(kāi)銷是比較大的

　　SunHotspotJVM為了提升對(duì)象內(nèi)存分配的效率，對(duì)于所創(chuàng)建的線程都會(huì)分配一塊獨(dú)立的空間TLAB（ThreadLocalAllocationBuffer），其大小由JVM根據(jù)運(yùn)行的情況計(jì)算而得，在TLAB上分配對(duì)象時(shí)不需要加鎖，因此JVM在給線程的對(duì)象分配內(nèi)存時(shí)會(huì)盡量的在TLAB上分配，在這種情況下JVM中分配對(duì)象內(nèi)存的性能和C基本是一樣高效的，但如果對(duì)象過(guò)大的話則仍然是直接使用堆空間分配。

　　TLAB僅作用于新生代的EdenSpace，因此在編寫Java程序時(shí)，通常多個(gè)小的對(duì)象比大的對(duì)象分配起來(lái)更加高效。

　　方法區(qū)域

　　每個(gè)線程共享的，啟動(dòng)一個(gè)JVM實(shí)例時(shí)被創(chuàng)建，它用于存運(yùn)行放常量池、所加載的類的信息（域、方法、靜態(tài)變量、final類型的常量）。開(kāi)發(fā)人員在程序中通過(guò)Class對(duì)象中的getName、isInterface等方法獲取的數(shù)據(jù)都來(lái)源于方法區(qū)域，在一定的條件下它也會(huì)被GC，當(dāng)方法區(qū)域需要使用的內(nèi)存超過(guò)其允許的大小時(shí)，會(huì)拋出OutOfMemory的錯(cuò)誤信息。不同的JVM實(shí)現(xiàn)方式在實(shí)現(xiàn)方法區(qū)域的時(shí)候會(huì)有所區(qū)別。Oracle的HotSpot稱之為永久區(qū)域（PermanentArea）或者永久代（PermanentGeneration）。

　　運(yùn)行常量池

　　其空間從方法區(qū)域中分配，用來(lái)存放類、方法、接口的常量和域的引用信息，當(dāng)一個(gè)方法或者域被引用的時(shí)候，JVM就通過(guò)運(yùn)行常量池中的引用信息來(lái)查找方法和域在內(nèi)存中的的實(shí)際地址。

　　四、JVM垃圾回收

　　GarbageCollection的基本原理：

　　將內(nèi)存中不再被使用的對(duì)象進(jìn)行回收，GC中用于回收的方法稱為收集器，由于GC需要消耗一些資源和時(shí)間，Java在對(duì)對(duì)象的生命周期特征進(jìn)行分析后，按照新生代、舊生代的方式來(lái)對(duì)對(duì)象進(jìn)行收集，以盡可能的縮短GC對(duì)應(yīng)用造成的暫停。

　　垃圾回收算法

　　1、按照基本回收策略分為以下4種：

　　ReferenceCounting：引用計(jì)數(shù)，比較古老的回收算法；原理是此對(duì)象有一個(gè)引用，即增加一個(gè)計(jì)數(shù)，刪除一個(gè)引用則減少一個(gè)計(jì)數(shù)。垃圾回收時(shí)，引用收集計(jì)數(shù)為0的對(duì)象。此算法最致命的是無(wú)法處理循環(huán)引用的問(wèn)題。

　　Mark-Sweep：標(biāo)記-清除，此算法執(zhí)行分兩階段；第一階段從引用根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始標(biāo)記所有被引用的對(duì)象，第二階段遍歷整個(gè)堆，把未標(biāo)記的對(duì)象清除。此算法需要暫停整個(gè)應(yīng)用，同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片。

　　

　　Copying：復(fù)制，把內(nèi)存空間劃為兩個(gè)相等的區(qū)域，每次只使用其中一個(gè)區(qū)域。垃圾回收時(shí)，遍歷當(dāng)前使用區(qū)域，把正在使用中的對(duì)象復(fù)制到另外一個(gè)區(qū)域中。每次只處理正在使用中的對(duì)象，因此復(fù)制成本比較小，同時(shí)復(fù)制過(guò)去以后還能進(jìn)行相應(yīng)的內(nèi)存整理，不會(huì)出現(xiàn)“碎片”問(wèn)題；但是此算法的缺點(diǎn)就是需要兩倍內(nèi)存空間。

　　

　　Mark-Compact：標(biāo)記-整理，結(jié)合了Mark-Sweep和Copying兩個(gè)算法的優(yōu)點(diǎn)；也分兩階段，第一階段從根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始標(biāo)記所有被引用對(duì)象，第二階段遍歷整個(gè)堆，把清除未標(biāo)記對(duì)象并且把存活對(duì)象“壓縮”到堆的其中一塊，按順序排放。避免了Mark-Sweep算法的碎片問(wèn)題，同時(shí)也避免了Copying算法的空間問(wèn)題。

　　

　　2、按分區(qū)對(duì)待的方式分為以下2種

　　IncrementalCollecting：增量收集，實(shí)時(shí)垃圾回收算法，即：在應(yīng)用進(jìn)行的同時(shí)進(jìn)行垃圾回收。JDK5.0中的收集器沒(méi)有使用這種算法的。

　　GenerationalCollecting：分代收集，基于對(duì)對(duì)象生命周期分析后得出的垃圾回收算法。把對(duì)象分為年青代、年老代、持久代，對(duì)不同生命周期的對(duì)象使用不同的算法（上述方式中的一個(gè)）進(jìn)行回收。現(xiàn)在的垃圾回收器（從J2SE1.2開(kāi)始）都是使用此算法的。

　　3、按系統(tǒng)線程分為以下3種

　　串行收集：串行收集使用單線程處理所有垃圾回收工作，因?yàn)闊o(wú)需多線程交互，實(shí)現(xiàn)容易，而且效率比較高。但是，其局限性是無(wú)法使用多處理器的優(yōu)勢(shì)，所以此收集適合單處理器機(jī)器。當(dāng)然，此收集器也可以用在小數(shù)據(jù)量（100M左右）情況下的多處理器機(jī)器上。

　　并行收集：并行收集使用多線程處理垃圾回收工作，因而速度快，效率高。而且理論上CPU數(shù)目越多，越能體現(xiàn)出并行收集器的優(yōu)勢(shì)。

　　并發(fā)收集：相對(duì)于串行收集和并行收集而言，前面兩個(gè)在進(jìn)行垃圾回收工作時(shí)，需要暫停整個(gè)運(yùn)行環(huán)境，而只有垃圾回收程序在運(yùn)行，因此，系統(tǒng)在垃圾回收時(shí)會(huì)有明顯的暫停，而且暫停時(shí)間會(huì)因?yàn)槎言酱蠖介L(zhǎng)。

　　處理碎片

　　由于不同Java對(duì)象存活時(shí)間是不一定的，因此，在程序運(yùn)行一段時(shí)間以后，如果不進(jìn)行內(nèi)存整理，就會(huì)出現(xiàn)零散的內(nèi)存碎片。碎片最直接的問(wèn)題就是會(huì)導(dǎo)致無(wú)法分配大塊的內(nèi)存空間，以及程序運(yùn)行效率降低。所以，在上面提到的基本垃圾回收算法中，“復(fù)制”方式和“標(biāo)記-整理”方式，都可以解決碎片的問(wèn)題。

　　對(duì)象創(chuàng)建和對(duì)象回收

　　垃圾回收線程是回收內(nèi)存的，而程序運(yùn)行線程則是消耗（或分配）內(nèi)存的，一個(gè)回收內(nèi)存，一個(gè)分配內(nèi)存，從這點(diǎn)看，兩者是矛盾的。因此，在現(xiàn)有的垃圾回收方式中，要進(jìn)行垃圾回收前，一般都需要暫停整個(gè)應(yīng)用（即：暫停內(nèi)存的分配），然后進(jìn)行垃圾回收，回收完成后再繼續(xù)應(yīng)用。這種實(shí)現(xiàn)方式是最直接，而且最有效的解決二者矛盾的方式。

　　但是這種方式有一個(gè)很明顯的弊端，就是當(dāng)堆空間持續(xù)增大時(shí)，垃圾回收的時(shí)間也將會(huì)相應(yīng)的持續(xù)增大，對(duì)應(yīng)應(yīng)用暫停的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)的增大。一些對(duì)相應(yīng)時(shí)間要求很高的應(yīng)用，比如最大暫停時(shí)間要求是幾百毫秒，那么當(dāng)堆空間大于幾個(gè)G時(shí)，就很有可能超過(guò)這個(gè)限制，在這種情況下，垃圾回收將會(huì)成為系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)瓶頸。為解決這種矛盾，有了并發(fā)垃圾回收算法，使用這種算法，垃圾回收線程與程序運(yùn)行線程同時(shí)運(yùn)行。在這種方式下，解決了暫停的問(wèn)題，但是因?yàn)樾枰谛律蓪?duì)象的同時(shí)又要回收對(duì)象，算法復(fù)雜性會(huì)大大增加，系統(tǒng)的處理能力也會(huì)相應(yīng)降低，同時(shí)碎片問(wèn)題將會(huì)比較難解決。

　　五、JRE（JavaRuntimeEnvironment）和JDK（JavaDevelopmentKit）

　　JRE是指運(yùn)行Java程序所必須的環(huán)境集合，包含JVM標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)及Java核心類庫(kù)。JDK是Java語(yǔ)言的軟件開(kāi)發(fā)工具包，針對(duì)Java開(kāi)發(fā)員的產(chǎn)品，是整個(gè)Java的核心，包括了Java運(yùn)行環(huán)境JRE、Java工具和Java基礎(chǔ)類庫(kù)。如果運(yùn)行Java程序，只需安裝JRE就可以了。如果編寫Java程序，需要安裝JDK。OpenJDK則是包含了開(kāi)發(fā)與運(yùn)行的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)。最主流的JDK是Sun公司發(fā)布的JDK，除了Sun之外，還有很多公司和組織都開(kāi)發(fā)了屬于自己的JDK，例如IBM，阿里等。

　　根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，JDK可分為三種版本：

　　SE（StandardEdition）標(biāo)準(zhǔn)版，通常用的一個(gè)版本，從JDK5.0開(kāi)始，改名為JavaSE

　　EE（EnterpriseEdition）企業(yè)版，使用這種JDK開(kāi)發(fā)J2EE應(yīng)用程序，從JDK5.0開(kāi)始，改名為JavaEE

　　ME（MicroEdition）微型版，主要用于移動(dòng)設(shè)備、嵌入式設(shè)備上的Java應(yīng)用程序，從JDK5.0開(kāi)始，改名為JavaME

　　(轉(zhuǎn))Java詳解JVM工作原理和流程

　　作為一名Java使用者，掌握J(rèn)VM的體系結(jié)構(gòu)也是必須的。

　　說(shuō)起Java，人們首先想到的是Java編程語(yǔ)言，然而事實(shí)上，Java是一種技術(shù)，它由四方面組成：Java編程語(yǔ)言、Java類文件格式、Java虛擬機(jī)和Java應(yīng)用程序接口(JavaAPI)。它們的關(guān)系如下圖所示：

　　

　　運(yùn)行期環(huán)境代表著Java平臺(tái)，開(kāi)發(fā)人員編寫Java代碼(.java文件)，然后將之編譯成字節(jié)碼(.class文件)，再然后字節(jié)碼被裝入內(nèi)存，一旦字節(jié)碼進(jìn)入虛擬機(jī)，它就會(huì)被解釋器解釋執(zhí)行，或者是被即時(shí)代碼發(fā)生器有選擇的轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼執(zhí)行。

　　Java平臺(tái)由Java虛擬機(jī)和Java應(yīng)用程序接口搭建，Java語(yǔ)言則是進(jìn)入這個(gè)平臺(tái)的通道，用Java語(yǔ)言編寫并編譯的程序可以運(yùn)行在這個(gè)平臺(tái)上。這個(gè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

　　

　　在Java平臺(tái)的結(jié)構(gòu)中,可以看出，Java虛擬機(jī)(JVM)處在核心的位置，是程序與底層操作系統(tǒng)和硬件無(wú)關(guān)的關(guān)鍵。它的下方是移植接口，移植接口由兩部分組成：適配器和Java操作系統(tǒng),其中依賴于平臺(tái)的部分稱為適配器；JVM通過(guò)移植接口在具體的平臺(tái)和操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)；在JVM的上方是Java的基本類庫(kù)和擴(kuò)展類庫(kù)以及它們的API，利用JavaAPI編寫的應(yīng)用程序(application)和小程序(Javaapplet)可以在任何Java平臺(tái)上運(yùn)行而無(wú)需考慮底層平臺(tái),就是因?yàn)橛蠮ava虛擬機(jī)(JVM)實(shí)現(xiàn)了程序與操作系統(tǒng)的分離，從而實(shí)現(xiàn)了Java的平臺(tái)無(wú)關(guān)性。

　　JVM在它的生存周期中有一個(gè)明確的任務(wù)，那就是運(yùn)行Java程序，因此當(dāng)Java程序啟動(dòng)的時(shí)候，就產(chǎn)生JVM的一個(gè)實(shí)例；當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束的時(shí)候，該實(shí)例也跟著消失了。下面我們從JVM的體系結(jié)構(gòu)和它的運(yùn)行過(guò)程這兩個(gè)方面來(lái)對(duì)它進(jìn)行比較深入的研究。

　　1、Java虛擬機(jī)的體系結(jié)構(gòu)

　　·每個(gè)JVM都有兩種機(jī)制：

　　①類裝載子系統(tǒng)：裝載具有適合名稱的類或接口

　　②執(zhí)行引擎：負(fù)責(zé)執(zhí)行包含在已裝載的類或接口中的指令

　　·每個(gè)JVM都包含：

　　方法區(qū)、Java堆、Java棧、本地方法棧、指令計(jì)數(shù)器及其他隱含寄存器

　　

　　對(duì)于JVM的學(xué)習(xí)，在我看來(lái)這么幾個(gè)部分最重要：

　　Java代碼編譯和執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程

　　JVM內(nèi)存管理及垃圾回收機(jī)制

　　下面分別對(duì)這幾部分進(jìn)行說(shuō)明：

　　2、Java代碼編譯和執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程

　　也正如前面所說(shuō)，Java代碼的編譯和執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程大概是：開(kāi)發(fā)人員編寫Java代碼(.java文件)，然后將之編譯成字節(jié)碼(.class文件)，再然后字節(jié)碼被裝入內(nèi)存，一旦字節(jié)碼進(jìn)入虛擬機(jī)，它就會(huì)被解釋器解釋執(zhí)行，或者是被即時(shí)代碼發(fā)生器有選擇的轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼執(zhí)行。

　　（1）Java代碼編譯是由Java源碼編譯器來(lái)完成，也就是Java代碼到JVM字節(jié)碼（.class文件）的過(guò)程。流程圖如下所示：

　

　　（2）Java字節(jié)碼的執(zhí)行是由JVM執(zhí)行引擎來(lái)完成，流程圖如下所示：

　　

　　Java代碼編譯和執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程包含了以下三個(gè)重要的機(jī)制:

　　·Java源碼編譯機(jī)制

　　·類加載機(jī)制

　　·類執(zhí)行機(jī)制

　　（1）Java源碼編譯機(jī)制

　　Java源碼編譯由以下三個(gè)過(guò)程組成：

　　①分析和輸入到符號(hào)表

　　②注解處理

　　③語(yǔ)義分析和生成class文件

　　流程圖如下所示：

　

　　最后生成的class文件由以下部分組成：

　　①結(jié)構(gòu)信息：包括class文件格式版本號(hào)及各部分的數(shù)量與大小的信息

　　②元數(shù)據(jù)：對(duì)應(yīng)于Java源碼中聲明與常量的信息。包含類/繼承的超類/實(shí)現(xiàn)的接口的聲明信息、域與方法聲明信息和常量池

　　③方法信息：對(duì)應(yīng)Java源碼中語(yǔ)句和表達(dá)式對(duì)應(yīng)的信息。包含字節(jié)碼、異常處理器表、求值棧與局部變量區(qū)大小、求值棧的類型記錄、調(diào)試符號(hào)信息

　　（2）類加載機(jī)制

　　JVM的類加載是通過(guò)ClassLoader及其子類來(lái)完成的，類的層次關(guān)系和加載順序可以由下圖來(lái)描述：　　

　　①BootstrapClassLoader

　　負(fù)責(zé)加載$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++實(shí)現(xiàn)，不是ClassLoader子類

　　②ExtensionClassLoader

　　負(fù)責(zé)加載java平臺(tái)中擴(kuò)展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目錄下的jar包

　　③AppClassLoader

　　負(fù)責(zé)記載classpath中指定的jar包及目錄中class

　　④CustomClassLoader

　　屬于應(yīng)用程序根據(jù)自身需要自定義的ClassLoader，如tomcat、jboss都會(huì)根據(jù)j2ee規(guī)范自行實(shí)現(xiàn)ClassLoader

　　加載過(guò)程中會(huì)先檢查類是否被已加載，檢查順序是自底向上，從CustomClassLoader到BootStrapClassLoader逐層檢查，只要某個(gè)classloader已加載就視為已加載此類，保證此類只所有ClassLoader加載一次。而加載的順序是自頂向下，也就是由上層來(lái)逐層嘗試加載此類。

　　（3）類執(zhí)行機(jī)制

　　JVM是基于堆棧的虛擬機(jī)。JVM為每個(gè)新創(chuàng)建的線程都分配一個(gè)堆棧.也就是說(shuō),對(duì)于一個(gè)Java程序來(lái)說(shuō)，它的運(yùn)行就是通過(guò)對(duì)堆棧的操作來(lái)完成的。堆棧以幀為單位保存線程的狀態(tài)。JVM對(duì)堆棧只進(jìn)行兩種操作:以幀為單位的壓棧和出棧操作。

　　JVM執(zhí)行class字節(jié)碼，線程創(chuàng)建后，都會(huì)產(chǎn)生程序計(jì)數(shù)器（PC）和棧（Stack），程序計(jì)數(shù)器存放下一條要執(zhí)行的指令在方法內(nèi)的偏移量，棧中存放一個(gè)個(gè)棧幀，每個(gè)棧幀對(duì)應(yīng)著每個(gè)方法的每次調(diào)用，而棧幀又是有局部變量區(qū)和操作數(shù)棧兩部分組成，局部變量區(qū)用于存放方法中的局部變量和參數(shù)，操作數(shù)棧中用于存放方法執(zhí)行過(guò)程中產(chǎn)生的中間結(jié)果。棧的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

　

　　3、JVM內(nèi)存管理及垃圾回收機(jī)制

　　JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)分為：方法區(qū)（method），棧內(nèi)存（stack），堆內(nèi)存（heap），本地方法棧（java中的jni調(diào)用），結(jié)構(gòu)圖如下所示：

　

　　（1）堆內(nèi)存（heap）

　　所有通過(guò)new創(chuàng)建的對(duì)象的內(nèi)存都在堆中分配，其大小可以通過(guò)-Xmx和-Xms來(lái)控制。

　　操作系統(tǒng)有一個(gè)記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表，當(dāng)系統(tǒng)收到程序的申請(qǐng)時(shí)，會(huì)遍歷該鏈表，尋找第一個(gè)空間大于所申請(qǐng)空間的堆結(jié)點(diǎn)，然后將該結(jié)點(diǎn)從空閑結(jié)點(diǎn)鏈表中刪除，并將該結(jié)點(diǎn)的空間分配給程序，另外，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)，會(huì)在這塊內(nèi)存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣代碼中的delete語(yǔ)句才能正確的釋放本內(nèi)存空間。但由于找到的堆結(jié)點(diǎn)的大小不一定正好等于申請(qǐng)的大小，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。這時(shí)由new分配的內(nèi)存，一般速度比較慢，而且容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片，不過(guò)用起來(lái)最方便。另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內(nèi)存，它不是在堆，也不是在棧，而是直接在進(jìn)程的地址空間中保留一塊內(nèi)存，雖然這種方法用起來(lái)最不方便，但是速度快，也是最靈活的。堆內(nèi)存是向高地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。由于系統(tǒng)是用鏈表來(lái)存儲(chǔ)的空閑內(nèi)存地址的，自然是不連續(xù)的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存。由此可見(jiàn)，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

　　（2）棧內(nèi)存（stack）

　　在Windows下,棧是向低地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。這句話的意思是棧頂?shù)牡刂泛蜅５淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預(yù)先規(guī)定好的，在WINDOWS下，棧的大小是固定的（是一個(gè)編譯時(shí)就確定的常數(shù)），如果申請(qǐng)的空間超過(guò)棧的剩余空間時(shí)，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。只要棧的剩余空間大于所申請(qǐng)空間，系統(tǒng)將為程序提供內(nèi)存，否則將報(bào)異常提示棧溢出。由系統(tǒng)自動(dòng)分配，速度較快。但程序員是無(wú)法控制的。

　　堆內(nèi)存與棧內(nèi)存需要說(shuō)明：

　　基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型直接在棧空間分配，方法的形式參數(shù)，直接在棧空間分配，當(dāng)方法調(diào)用完成后從棧空間回收。引用數(shù)據(jù)類型，需要用new來(lái)創(chuàng)建，既在棧空間分配一個(gè)地址空間，又在堆空間分配對(duì)象的類變量。方法的引用參數(shù)，在棧空間分配一個(gè)地址空間，并指向堆空間的對(duì)象區(qū)，當(dāng)方法調(diào)用完成后從棧空間回收。局部變量new出來(lái)時(shí)，在棧空間和堆空間中分配空間，當(dāng)局部變量生命周期結(jié)束后，棧空間立刻被回收，堆空間區(qū)域等待GC回收。方法調(diào)用時(shí)傳入的literal參數(shù)，先在棧空間分配，在方法調(diào)用完成后從棧空間收回。字符串常量、static在DATA區(qū)域分配，this在堆空間分配。數(shù)組既在棧空間分配數(shù)組名稱，又在堆空間分配數(shù)組實(shí)際的大小。

　　如：

　

　　（3）本地方法棧（java中的jni調(diào)用）

　　用于支持native方法的執(zhí)行，存儲(chǔ)了每個(gè)native方法調(diào)用的狀態(tài)。對(duì)于本地方法接口，實(shí)現(xiàn)JVM并不要求一定要有它的支持，甚至可以完全沒(méi)有。Sun公司實(shí)現(xiàn)Java本地接口(JNI)是出于可移植性的考慮，當(dāng)然我們也可以設(shè)計(jì)出其它的本地接口來(lái)代替Sun公司的JNI。但是這些設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是比較復(fù)雜的事情，需要確保垃圾回收器不會(huì)將那些正在被本地方法調(diào)用的對(duì)象釋放掉。

　　（4）方法區(qū)（method）

　　它保存方法代碼(編譯后的java代碼)和符號(hào)表。存放了要加載的類信息、靜態(tài)變量、final類型的常量、屬性和方法信息。JVM用持久代（PermanetGeneration）來(lái)存放方法區(qū)，可通過(guò)-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize來(lái)指定最小值和最大值。

　　垃圾回收機(jī)制

　　堆里聚集了所有由應(yīng)用程序創(chuàng)建的對(duì)象，JVM也有對(duì)應(yīng)的指令比如new,newarray,anewarray和multianewarray，然并沒(méi)有向C++的delete，free等釋放空間的指令，Java的所有釋放都由GC來(lái)做，GC除了做回收內(nèi)存之外，另外一個(gè)重要的工作就是內(nèi)存的壓縮，這個(gè)在其他的語(yǔ)言中也有類似的實(shí)現(xiàn)，相比C++不僅好用，而且增加了安全性，當(dāng)然她也有弊端，比如性能這個(gè)大問(wèn)題。

　　4、Java虛擬機(jī)的運(yùn)行過(guò)程示例

　　上面對(duì)虛擬機(jī)的各個(gè)部分進(jìn)行了比較詳細(xì)的說(shuō)明，下面通過(guò)一個(gè)具體的例子來(lái)分析它的運(yùn)行過(guò)程。

　　虛擬機(jī)通過(guò)調(diào)用某個(gè)指定類的方法main啟動(dòng)，傳遞給main一個(gè)字符串?dāng)?shù)組參數(shù)，使指定的類被裝載，同時(shí)鏈接該類所使用的其它的類型，并且初始化它們。例如對(duì)于程序：

　　

　　編譯后在命令行模式下鍵入：javaHelloApprunvirtualmachine

　　將通過(guò)調(diào)用HelloApp的方法main來(lái)啟動(dòng)java虛擬機(jī)，傳遞給main一個(gè)包含三個(gè)字符串"run"、"virtual"、"machine"的數(shù)組。現(xiàn)在我們略述虛擬機(jī)在執(zhí)行HelloApp時(shí)可能采取的步驟。

　　開(kāi)始試圖執(zhí)行類HelloApp的main方法，發(fā)現(xiàn)該類并沒(méi)有被裝載，也就是說(shuō)虛擬機(jī)當(dāng)前不包含該類的二進(jìn)制代表，于是虛擬機(jī)使用ClassLoader試圖尋找這樣的二進(jìn)制代表。如果這個(gè)進(jìn)程失敗，則拋出一個(gè)異常。類被裝載后同時(shí)在main方法被調(diào)用之前，必須對(duì)類HelloApp與其它類型進(jìn)行鏈接然后初始化。鏈接包含三個(gè)階段：檢驗(yàn)，準(zhǔn)備和解析。檢驗(yàn)檢查被裝載的主類的符號(hào)和語(yǔ)義，準(zhǔn)備則創(chuàng)建類或接口的靜態(tài)域以及把這些域初始化為標(biāo)準(zhǔn)的默認(rèn)值，解析負(fù)責(zé)檢查主類對(duì)其它類或接口的符號(hào)引用，在這一步它是可選的。類的初始化是對(duì)類中聲明的靜態(tài)初始化函數(shù)和靜態(tài)域的初始化構(gòu)造方法的執(zhí)行。一個(gè)類在初始化之前它的父類必須被初始化。整個(gè)過(guò)程如下：

　　以上就是動(dòng)力節(jié)點(diǎn)Java培訓(xùn)機(jī)構(gòu)小編介紹的“小白如何學(xué)習(xí)Java到架構(gòu)師”的內(nèi)容，希望能夠幫助到大家，更多精彩內(nèi)容請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注動(dòng)力節(jié)點(diǎn)Java培訓(xùn)機(jī)構(gòu)官網(wǎng)，每天會(huì)有精彩內(nèi)容分享與你。