java-JVM

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对于高级语言的使用确实有一种空中楼阁的感觉，只知道调用着实没啥技术含量，还是要从技术开始好好钻研啊!!

1. JVM与java体系结构

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1.1 跨平台/跨语言

  • 每个语言都需要转换成字节码文件，最后转换的字节码文件都能通过Java虚拟机进行运行和处理
  • 随着Java7的正式发布，Java虚拟机的设计者们通过JSR-292规范基本实现在Java虚拟机平台上运行非Java语言编写的程序。
  • Java虚拟机根本不关心运行在其内部的程序到底是使用何种编程语言编写的，它只关心“字节码”文件。也就是说Java虚拟机拥有语言无关性，并不会单纯地与Java语言“终身绑定”，只要其他编程语言的编译结果满足并包含Java虚拟机的内部指令集、符号表以及其他的辅助信息，它就是一个有效的字节码文件，就能够被虚拟机所识别并装载运行。

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  • 我们平时说的java字节码，指的是用java语言编译成的字节码。准确的说任何能在jvm平台上执行的字节码格式都是一样的。所以应该统称为：jvm字节码。

  • 不同的编译器，可以编译出相同的字节码文件，字节码文件也可以在不同的JVM上运行。

  • Java虚拟机与Java语言并没有必然的联系，它只与特定的二进制文件格式——Class文件格式所关联，Class文件中包含了Java虚拟机指令集（或者称为字节码、Bytecodes）和符号表，还有一些其他辅助信息。

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  • Java平台上的多语言混合编程正成为主流，通过特定领域的语言去解决特定领域的问题是当前软件开发应对日趋复杂的项目需求的一个方向。

  • 试想一下，在一个项目之中，并行处理用Clojure语言编写，展示层使用JRuby/Rails，中间层则是Java，每个应用层都将使用不同的编程语言来完成，而且，接口对每一层的开发者都是透明的，各种语言之间的交互不存在任何困难，就像使用自己语言的原生API一样方便，因为它们最终都运行在一个虚拟机之上。
  • 对这些运行于Java虚拟机之上、Java之外的语言，来自系统级的、底层的支持正在迅速增强，以JSR-292为核心的一系列项目和功能改进（如DaVinci Machine项目、Nashorn引擎、InvokeDynamic指令、java.lang.invoke包等），推动Java虚拟机从"Java语言的虚拟机"向"多语言虚拟机"的方向发展。

1.2 虚拟机介绍

虚拟机分类：系统虚拟机和程序虚拟机

  • 大名鼎鼎的Virtual Box，VMware就属于系统虚拟机，它们完全是对物理计算机的仿真，提供了一个可运行完整操作系统的软件平台。

  • 程序虚拟机的典型代表就是Java虚拟机，它专门为执行单个计算机程序而设计，在Java虚拟机中执行的指令我们称为Java字节码指令。

无论是系统虚拟机还是程序虚拟机，在上面运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中

java虚拟机

  • Java虚拟机是一台执行Java字节码的虚拟计算机，它拥有独立的运行机制，其运行的Java字节码也未必由Java语言编译而成。
  • JVM平台的各种语言可以共享Java虚拟机带来的跨平台性、优秀的垃圾回器，以及可靠的即时编译器。
  • Java技术的核心就是Java虚拟机（JVM，Java Virtual Machine），因为所有的Java程序都运行在Java虚拟机内部。
  • Java虚拟机就是二进制字节码的运行环境，负责装载字节码到其内部，解释/编译为对应平台上的机器指令执行。每一条Java指令，Java虚拟机规范中都有详细定义，如怎么取操作数，怎么处理操作数，处理结果放在哪里。

1.3 JVM的整体结构

  • HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。
  • 它采用解释器与即时编译器并存的架构。
  • 在今天，Java程序的运行性能早已脱胎换骨，已经达到了可以和C/C++程序一较高下的地步。
  • 执行引擎包含三部分：解释器，即时编译器，垃圾回收器

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1.4 java代码执行流程

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1.5 JVM的架构模型

Java编译器输入的指令流基本上是一种基于栈的指令集架构，另外一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。具体来说：这两种架构之间的区别：

  • 基于栈式架构的特点
    • 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统
    • 避开了寄存器的分配难题：使用零地址指令方式分配
    • 指令流中的指令大部分是零地址指令，其执行过程依赖于操作栈。指令集更小，编译器容易实现
    • 不需要硬件支持，可移植性更好，更好实现跨平台
  • 基于寄存器架构的特点
    • 典型的应用是x86的二进制指令集：比如传统的PC以及Android的Davlik虚拟机。
    • 指令集架构则完全依赖硬件，与硬件的耦合度高，可移植性差
    • 性能优秀和执行更高效
    • 花费更少的指令去完成一项操作
    • 在大部分情况下，基于寄存器架构的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三地址指令为主，而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主

eg：同样执行2+3这种逻辑操作，其指令分别如下：

  • 基于栈的计算流程（以Java虚拟机为例，可以通过将字节码文件反编译得到）

    IDEA的字节码文件路径：project的out文件夹子目录下； 反编译命令：javap -v file（字节码文件名）

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iconst_2 //常量2入栈
istore_1
iconst_3 // 常量3入栈
istore_2
iload_1
iload_2
iadd //常量2/3出栈，执行相加
istore_0 // 结果5入栈
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  • 基于寄存器的计算流程
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mov eax,2 //将eax寄存器的值设为1
add eax,3 //使eax寄存器的值加3

1.5.1 总结

  • 由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令
  • 时至今日，尽管嵌入式平台已经不是Java程序的主流运行平台了（准确来说应该是HotSpot VM的宿主环境已经不局限于嵌入式平台了），那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢？
  • 因为基于栈的架构跨平台性好、指令集小，虽然相对于基于寄存器的架构来说，基于栈的架构编译得到的指令更多，执行性能也不如基于寄存器的架构好，但考虑到其跨平台性与移植性，我们还是选用栈的架构

栈：跨平台性、指令集小、指令多；执行性能比寄存器差

1.6 JVM的生命周期

  • 虚拟机的启动
    • Java虚拟机的启动是通过引导类加载器（bootstrap class loader）创建一个初始类（initial class）来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现指定的。
  • 虚拟机的执行
    • 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序
    • 程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止
    • 执行一个所谓的Java程序的时候，真真正正在执行的是一个叫做Java虚拟机的进程
  • 虚拟机的退出
    • 程序正常执行结束
    • 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
    • 由于操作系统用现错误而导致Java虚拟机进程终止
    • 某线程调用Runtime类或System类的exit( )方法，或Runtime类的halt( )方法，并且Java安全管理器也允许这次exit( )或halt( )操作。
    • 除此之外，JNI（Java Native Interface）规范描述了用JNI Invocation API来加载或卸载 Java虚拟机时，Java虚拟机的退出情况。

2. 类加载子系统

第02章_JVM架构-简图

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2.1 类加载子系统的作用

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  • 类加载器子系统负责从文件系统或者网络中加载Class文件，class文件在文件开头有特定的文件标识。
  • ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。
  • 加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区中还会存放运行时常量池（之前将class文件反编译生成的指令文件中就包含常量池constant pool,加载到内存中就是运行时常量池了）信息，可能还包括字符串字面量和数字常量（这部分常量信息是Class文件中常量池部分的内存映射）

2.2 类加载器ClassLorder角色

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  • class file存在于本地硬盘上，可以理解为设计师画在纸上的模板，而最终这个模板在执行的时候是要加载到JVM当中来根据这个文件实例化出n个一模一样的实例。（class文件以二进制字节流的形式加载到内存）
  • class file加载到JVM中，被称为DNA元数据模板，放在方法区。
  • 在.class文件 –> JVM –> 最终成为元数据模板，此过程就要一个运输工具（类装载器Class Loader），扮演一个快递员的角色。

2.3 类的加载过程

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public class HelloLoader {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("谢谢ClassLoader加载我....");
        System.out.println("你的大恩大德，我下辈子再报！");
    }

}
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它的加载过程是怎么样的呢?

  • 执行 main( ) 方法（静态方法）就需要先加载承载类 HelloLoader
  • 加载成功，则进行链接、初始化等操作，完成后调用 HelloLoader 类中的静态方法 main
  • 加载失败则抛出异常

第02章_类的加载过程

  • 完整的流程图如下所示：加载 --> 链接（验证 --> 准备 --> 解析） --> 初始化

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2.3.1 加载(Loading)阶段

加载

  1. 通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
  2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
  3. 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

加载.class文件的方式

  • 从本地系统中直接加载
  • 通过网络获取，典型场景：Web Applet
  • 从zip压缩包中读取，成为日后jar、war格式的基础
  • 运行时计算生成，使用最多的是：动态代理技术
  • 由其他文件生成，典型场景：JSP应用从专有数据库中提取.class文件，比较少见
  • 从加密文件中获取，典型的防Class文件被反编译的保护措施

2.3.2 链接(Linking)阶段

链接分为三个子阶段：验证 --> 准备 --> 解析

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验证(Verify)

  • 目的在于确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，保证被加载类的正确性，不会危害虚拟机自身安全
  • 主要包括四种验证，文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。
  • 使用 BinaryViewer 查看字节码文件，其开头均为 CAFE BABE ，如果出现不合法的字节码文件，那么将会验证不通过

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准备(Prepare)

  • 为类变量分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值
  • 这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就会分配好了默认值，准备阶段会显式初始化
  • 注意：这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中

举例：

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变量a在准备阶段会赋初始值，但不是1，而是0，在初始化阶段会被赋值为 1
public class HelloApp {
    private static int a = 1;   //prepare：a = 0 ---> initial : a = 1

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(a);
    }
}
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解析(Resolve)

  • 将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程
  • 事实上，解析操作往往会伴随着JVM在执行完初始化之后再执行
  • 符号引用就是一组符号来描述所引用的目标。符号引用的字面量形式明确定义在《java虚拟机规范》的class文件格式中。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
  • 解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等。对应常量池中的CONSTANT Class info、CONSTANT Fieldref info、CONSTANT Methodref info等

符号引用

  • 反编译 class 文件后可以查看符号引用

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2.4 双亲委派机制

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