【基础篇】JVM及其原理

绝地灬酷狼 2023-05-31 02:39 25阅读 0赞

JVM一直是java知识里面进阶阶段的重要部分，如果希望在java领域研究的更深入，则JVM则是如论如何也避开不了的话题。

**1、运行流程**

我们都知道java一直宣传的口号是：一次编译，到处运行。那么它如何实现的呢？我们看下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNjUyNTA5_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
java程序经过一次编译之后，将java代码编译为字节码也就是class文件，然后在不同的操作系统上依靠不同的java虚拟机进行解释，最后再转换为不同平台的机器码，最终得到执行。这样我们是不是可以推演，如果要在mac系统上运行，是不是只需要安装mac java虚拟机就行了。那么了解了这个基本原理后，我们尝试去做更深的研究，一个普通的java程序它的执行流程到底是怎样的呢？例如我们写了一段这样的代码：

public class HelloWorld {  public static void main(String[] args) {  System.out.print("Hello world"); } }

这段程序从编译到运行，最终打印出“Hello world”中间经过了哪些步骤呢？我们直接上图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNjUyNTA5_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
java代码通过编译之后生成字节码文件（class文件），通过：java HelloWorld执行，此时java根据系统版本找到jvm.cfg，各位可以搜索一下自己电脑上的jvm.cfg文件在哪，它会根据你的系统版本放在不同的位置，比如我的这个文件就在：D:\\java\\jdk1.8.0\_181\\jre\\lib\\amd64\\jvm.cfg，打开看一下：  
![在这里插入图片描述][20191022093044228.png]  
这是我电脑上的文件，其中-server KNOWN就表示名称为server的jvm可用。如果这时你搜索一下你电脑上jvm.dll，你就会发现它一定在你的某个server目录下，比如我的：D:\\java\\jdk1.8.0\_181\\jre\\bin\\server\\jvm.dll  
简而言之就是通过jvm.cfg文件找到对应的jvm.dll，jvm.dll则是java虚拟机的主要实现。  
接下来会初始化JVM,并且获取JNI接口，什么是JNI接口，就是java本地接口，你想啊java被编译成了class文件，JVM怎么从硬盘上找到这个文件并装载到JVM里呢，就是通过JNI接口（它还常用于java与操作系统、硬件交互），找到class文件后并装载进JVM，然后找到main方法，最后执行。

**2、JVM基本结构**

可能通过上面的描述，大家对JVM运行流程有了一个粗略的认识，那么JVM内部到底是怎么执行一个class文件的呢，也就是上图中最后一步第6步的内部细节是怎样的呢？要了解这个问题，我们首先得看一下JVM的内部结构：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNjUyNTA5_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
从这个结构不难看出，class文件被jvm装载以后，经过jvm的内存空间调配，最终是由执行引擎完成class文件的执行。当然这个过程还有其他角色模块的协助，这些模块协同配合才能让一个java程序成功的运行，下面就详细介绍这些模板。

**3、内存空间：**

JVM内存空间包含：方法区、java堆、java栈、本地方法栈。

**方法区**是各个线程共享的区域，存放类信息、常量、静态变量。

**java堆**也是线程共享的区域，我们的类的实例就放在这个区域，可以想象你的一个系统会产生很多实例，因此java堆的空间也是最大的。如果java堆空间不足了，程序会抛出OutOfMemoryError异常。

**java栈**是每个线程私有的区域，它的生命周期与线程相同，一个线程对应一个java栈，每执行一个方法就会往栈中压入一个元素，这个元素叫“栈帧”，而栈帧中包括了方法中的局部变量、用于存放中间状态值的操作栈，这里面有很多细节，我们以后再讲。如果java栈空间不足了，程序会抛出StackOverflowError异常，想一想什么情况下会容易产生这个错误，对，递归，递归如果深度很深，就会执行大量的方法，方法越多java栈的占用空间越大。

每个帧代表一个方法，Java方法有两种返回方式，return和抛出异常，两种方式都会导致该方法对应的帧出栈和释放内存。

栈运行原理：  
栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在，栈帧是一个内存区块，是一个数据集，是一个有关方法和运行期数据的数据集，当一个方法A被调用时就产生了一个栈帧F1，并被压入到栈中，A方法又调用了B方法，于是产生栈帧F2也被压入栈，B方法又调用了C方法，于是产生栈帧F3也被压入栈…… 依次执行完毕后，先弹出后进…F3栈帧，再弹出F2栈帧，再弹出F1栈帧。  
遵循“先进后出”/“后进先出”原则。

帧的组成：局部变量区（包括方法参数和局部变量，对于instance方法，还要首先保存this类型，其中方法参数按照声明顺序严格放置，局部变量可以任意放置），操作数栈，帧数据区（用来帮助支持常量池的解析，正常方法返回和异常处理）。

**本地方法栈**和java栈类似，只不过它是用来表示执行本地方法的，本地方法栈存放的方法调用本地方法接口，最终调用本地方法库，实现与操作系统、硬件交互的目的。

PC寄存器，说到这里我们的类已经加载了，实例对象、方法、静态变量都去了自己改去的地方，那么问题来了，程序该怎么执行，哪个方法先执行，哪个方法后执行，这些指令执行的顺序就是PC寄存器在管，它的作用就是控制程序指令的执行顺序。

执行引擎当然就是根据PC寄存器调配的指令顺序，依次执行程序指令。

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