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JVM第一话 -- JVM入门详解以及运行时数据区分析

2022-07-01 14:43:00 【有头发的程序猿!】

1.JVM是什么

JVM(Java Virtual Machine) 是Jvm虚拟机的一种规范。

C:\Users\pc>java -version
java version "1.8.0_151"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_151-b12)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.151-b12, mixed mode)

当安装了JDK以后，可以看到默认是已安装HotSpot虚拟机的，Java程序需要运行在虚拟机上，不同的平台有自己的虚拟机，所以Java语言是跨平台语言。

这也就提现出了Java语言的特点： 一处编译，多处执行,跨平台,安全性(1.摒弃指针 2、GC垃圾回收机制：(自动释放回收长时间不使用对象的内存))

结构：JDK & JRE & JVM三者结构图
结构关系图

jvm分布结构图
输入class文件到虚拟机，虚拟机输出不同平台的CPU指令。存储器、控制器、运算器为JVM运行时数据区

2.一个java文件的编译运行过程

工具：javac编译、javap反编译

Java源文件 -> Javac编译成class文件 -> JVM虚拟机运行Class文件实则为转成对应操作系统的机器码 -> 各大操作系统

2.1 javac

Javac将源文件转成字节码（词法分析，语法分析，语义分析，字节码生成码）
class文件一个存放二进制文件，存放16进制的字节

2.2 javap

将class文件反编译为cpu指令

//原始代码
static int num = 1;
static final int a1 = 2;
int a2 = 2; 
   
//通过 javap -p -v xxx.class 反编译出来的结果
//会在堆内存中开辟一个num=0的空间
static int num;	
 	descriptor: I
 //权限
  flags: ACC_STATIC
static final int a1;
 	descriptor: I
  flags: ACC_STATIC, ACC_FINAL
  //通知虚拟机给静态变量赋值 意味着准备阶段就已经初始化值了 
  ConstantValue: int 2
  //非static变量的实例变量会随着类变量分配到java堆 在初始化阶段由类构造器初始
int a2;
 	descriptor: I

3.类加载机制

目的：将class类加载进虚拟机内存空间中

3.1 装载Loading

找到class文件所在的全路径，然后装载到内存中。具体实现由类加载器实现ClassLoader

类加载器类型总览

类加载器	功能
Bootstrap ClassLoader 启动类加载器	加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里面所有的class或者Xbootclasspath选项指定的jar包
ExClassLoader 扩展类加载器	加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或者-Djava.ext-dirs指定目录下的包
AppClassLoader 系统类加载器	加载classpath中指定的jar包及Djava.class.path指定目录下的类和jar包
Custom ClassLoader自定义类加载器	通过ClassLoader的子类自定义加载class，属于应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader，如Tomcat,Jboss都会根据规范自行实现ClassLoader

类加载方式

全盘负责
- 只要由一个加载器负责某个类，那么这个类的父类以及子类通通由这个类加载器负责
父类委托
- 判断顶层类是否已经加载
缓存机制
- 同名的类只会被加载一次所有必须使用到缓存

自定义类加载器 java实现

实现ClassLoader，加载类不能放到类路径下(否则会被AppClassLoader加载)

3.2 链接Linking

验证Verify：验证类的正确性
准备Prepare：为类或接口的静态字段赋值默认值

private static int a =10; 此时会先赋值默认值0

解析Resolve：动态将运行常量池中的符号引用转为直接引用(物理内存地址)

3.3 初始化Initalization

为变量附上真正的值，例如给上面的static int a赋值为10

什么情况触发初始化

new
访问某个类或接口的静态变量
调用类的静态方法
反射
初始化某个类的子类
虚拟机指定启动类

4.JVM运行时数据区

根据前面的jvm分布结构图，分为了5个区域，栈、堆、程序计数器、方法区、本地方法栈

41. 方法区 Method Area

java线程共享的区域，生命周期和进程绑定
存储类的元数据信息，模板信息
内存不足时报OutOfMeoryError: Metespace
方法区存放不会轻易改变的内容，在jdk8中又被称为元空间Metaspace
运行时常量池 Run-Time Constant pool
- String str = “hello” hello在常量池，可以被多引用
- String str = new String(“hello”) 1.7以前hello在堆内存，1.8后String对象存放堆内存中，hello存放字符串常量池中

4.2 堆Heap

虚拟机最大的一块线程共享区域，生命周期和进程绑定
内存不足时报OutOfMeoryError: Java heap space，通过-Xms20M -Xmx20M设置堆内存大小
类的或者成员变量的实例对象，例如new String(“hello”) String对象在堆内存
JDK1.8已经将String常量池从方法区移入堆中了，那么new String(“hello”) 会生成两个对象，String对象存放堆内存中，hello存放字符串常量池中，如果常量池存在则不创建

4.3 栈 Stacks

线程私有，通过抢占CPU时间片来执行栈帧
栈帧是最小的工作单位，方式是压栈、出栈，栈结构先进后出、后进先出
递归导致栈深度不够用会报StackOverfolwError，栈帧深度默认大小1M，可以通过-Xss 128k修改
栈帧压栈出栈 thread mian() -> a() ->b() -> c()，mian()一定是最后执行完的，一定是先进后出的

4.4 栈帧的组成结构

public static int calc(int num1,num2){
    
    num1 = 2;
    int res = num1 + num2;
    return res;
}
calc(1,8);
//通过javap反编译内容 查看下calc栈帧
public static int calc(int, int);
    descriptor: (II)I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
	 //操作数栈2个 局部变量3个 参数值2个
      stack=2, locals=3, args_size=2
         0: iconst_2	//push一个int值压入操作栈中 2
         1: istore_0	//将操作数栈的值出栈赋值给局部变量的第0个 num1=2
         2: iload_0		//第0个局部变量的值压入操作数栈 2
         3: iload_1		//第1个局部变量的值压入操作数栈 8
         4: iadd		//执行一个相加的操作 10
         5: istore_2	//将操作数栈的值出栈赋值给局部变量的第2个 res = 10
         6: iload_2		//第二个局部变量的值压操作数栈 res
         7: ireturn		//第二个局部变量出操作数栈 返回10 然后通过方法返回地址到main栈帧