JVM 体系结构详解

JVM 是一种抽象的计算机，基于堆栈架构，它有自己的指令集和内存管理，是 Java 跨平台的依据，JVM解释执行字节码，或将字节码编译成本地代码执行。Java 虚拟机体系结构如下：

Class File

Class File 是平台无关的二进制文件，包含着能被JVM执行的字节码，其中多字节采用大端序，字符使用一种改进的UTF-8编码。Class文件精确的描述了一个类或接口的信息，其中包括：

• 常量池：数值和字符串字面常量，元数据如类名、方法名称、参数，以及各种符号引用
• 方法的字节码指令，参数个数，局部变量，最大操作数栈深度，异常等信息

Class Loader

类加载器，JVM在类首次使用时动态的加载、链接和初始化。JVM默认的加载模型是双亲委派模型，类加载器之间存在父子关系的层次结构，内部使用组合实现。此外还有其他的加载方式，比如Servlet加载，它先尝试自己加载，不成功再委派上层加载器，类隔离；OSGI加载器之间是一种网状的依赖关系，没有上下层的区分，比较灵活。

加载

加载就是将Class文件表示的类或接口，在JVM方法区中创建一个与之对应的java.lang.Class对象，像Class.forName()、ClassLoader.loadClass()、反射都能触发类加载。当触发一个类加载时，详细的过程如下：

• 检查类是否已经被加载
• 将加载请求委派给上层类加载器
• 自己尝试搜索类并加载

当ClassLoader在classpath中未找到类文件，会抛出ClassNotFoundException；当类A引用类B，类A已经成功加载，但是加载B时未找到类文件，会抛出NoClassDefFoundError。JVM有以下几种类加载器：

• Bootstrap ClassLoader，启动类加载器，加载 <java_home>\jre\lib 中 Java 核心类库
• Extension ClassLoader，扩展类加载器，加载 <java_home>\jre\lib\ext 中的类
• System ClassLoader，系统类加载器，也叫应用程序类加载器（Application class loader），加载 CLASSPATH 环境变量中的类

链接

• 验证：确保class文件的正确性。
• 准备：为类静态字段分配内存并初始化为默认值，不会执行任何字节码指令。
• 解析：将符号引用转为方法区（运行时常量池）直接引用

初始化

执行类初始化方法，即赋值静态字段，执行静态块，顺序按照其定义的先后。父类的静态域会先于子类静态域初始化。

至此，一个类或接口被加载到了内存中，JVM会保证整个过程是线程安全的。需要注意的是整个过程没有涉及到任何实例对象。

运行时数据区

1. Method Area：线程共享，存储运行时常量池、类字段和方法信息、静态变量和方法的字节码，是堆的逻辑组成部分，这部分的垃圾回收是可选的。值得一提的是Hotspot JVM自JDK8之后，调整了这部分内存的内容，class meta-data的分配使用本地内存，interned String和类静态变量移动到了Java堆。

2. 运行时常量池：对于JVM来说具有核心作用，基本上涉及到方法或字段，JVM就会在运行时常量池中搜索其具体的内存地址。

3. Heap：线程共享，存储实例对象，实例变量以及数组，是垃圾回收的主要区域。

4. JVM Stack：线程私有，用于存储栈帧，当方法被调用时会创建一个栈帧入栈，栈帧由以下几部分组成：

• 局部变量表：从0开始存储this、方法参数、局部变量。
• 操作数栈：方法的工作区，在操作数栈和局部变量之间交换数据，存储中间结果，操作数栈深度在编译时就能确定。
• 帧数据：方法返回值，异常分派，以及当前方法所在类运行时常量池的引用。

5. PC Register：线程私有，保存当前指令地址，执行后指向下一条指令地址。

6. Native Method Stack：线程私有，存储本地方法信息，C或C++栈。

执行引擎

读取、翻译、执行字节码。JVM基于栈架构，这个栈就是操作数栈，字节码指令就是通过它进行各种运算。此外还有基于寄存器的虚拟机。

• Interpreter，翻译：解释字节码比较快，执行慢，缺点是每次方法调用都要重新翻译解释一遍。
• JIT Compiler，即时编译：找出程序中频繁调用的热点方法，将字节码编译成本地代码，提高性能。
• Garbage Collector，垃圾收集器：回收无效对象，判断对象是否可回收，可采用不同的垃圾回收算法。

本地方法接口和库

JNI，调用本地方法，c/c++库；执行引擎所需的本地方法库。

小结

主流JVM的实现有Oracle的Hotspot JVM、JRockit以及IBM的JVM。说到JVM调优，默认指的就是Hotspot VM，足见其流行程度。如今搞Java不去了解JVM就显得有点low了-v-。

要想写出高质量代码，不仅要了解JVM，像调优，问题排查等都需要完备的计算机基础知识，其实无论用什么语言开发，都是一个构建和完善自身计算机知识体系的过程。