【深入理解JVM】JVM概述

1、什么是JVM

JVM全称是Java Virtual Machine(java虚拟机)。它之所以被称之为是“虚拟”的，就是因为它仅仅是由一个规范来定义的抽象计算机。我们平时经常使用的Sun HotSpot虚拟机只是其中一个具体的实现(另外还有BEA JRockit、IBM J9等等虚拟机)。

JVM的设计目标是提供一个基于抽象规格描述的计算机模型，为解释程序开发人员提供很好的灵活性，同时也确保Java代码可在符合该规范的任何系统上运行。JVM对其实现的某些方面给出了具体的定义，特别是对Java可执行代码，即字节码（Bytecode）的格式给出了明确的规格。这一规格包括操作码和操作数的语法和数值、标识符的数值表示方式、以及Java类文件中的Java对象、常量缓冲池在JVM的存储映象。这些定义为JVM解释器开发人员提供了所需的信息和开发环境。Java的设计者希望给开发人员以随心所欲使用Java的自由。

JVM是java的核心和基础，在java编译器和os平台之间的虚拟处理器。它是一种基于下层的操作系统和硬件平台并利用软件方法来实现的抽象的计算机，可以在上面执行java的字节码程序。

2、 JRE/JDK/JVM

JDK（Java Development Kit）是针对Java开发员的产品，是整个Java的核心，包括了Java运行环境JRE、Java工具和Java基础类库。Java Runtime Environment（JRE）是运行JAVA程序所必须的环境的集合，包含JVM标准实现及Java核心类库。JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，是整个java实现跨平台的最核心的部分，能够运行以Java语言写作的软件程序。

JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java运行环境)，也就是Java平台。是运行基于Java语言编写的程序所不可缺少的运行环境。也是通过它，Java的开发者才得以将自己开发的程序发布到用户手中，让用户使用。所有的Java 程序都要在JRE下才能运行。普通用户只需要运行已开发好的java程序，安装JRE即可。JRE中包含了Java virtual machine（JVM），runtime class libraries和Java application launcher，这些是运行Java程序的必要组件。与大家熟知的JDK不同，JRE是Java运行环境，并不是一个开发环境，所以没有包含任何开发工具（如编译器和调试器），只是针对于使用Java程序的用户。

JDK(Java Development Kit)是程序开发者用来来编译、调试java程序用的开发工具包。JDK是整个JAVA的核心，包括了Java运行环境JRE（Java Runtime Envirnment）、一堆Java工具（javac/java/jdb等）和Java基础的类库（即Java API 包括rt.jar）。JDK中包含JRE，在JDK的安装目录下有一个名为jre的目录，里面有两个文件夹bin和lib，在这里可以认为bin里的就是jvm，lib中则是jvm工作所需要的类库，而jvm和 lib和起来就称为jre。JDK的工具也是Java程序，也需要JRE才能运行。为了保持JDK的独立性和完整性，在JDK的安装过程中，JRE也是安装的一部分。所以，在JDK的安装目录下有一个名为jre的目录，用于存放JRE文件。

JVM(JavaVirtualMachine，Java虚拟机)是JRE的一部分。它是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。JVM有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。就是我们常说的java虚拟机，它是整个java实现跨平台的最核心的部分，所有的java程序会首先被编译为.class的类文件，这种类文件可以在虚拟机上执行。也就是说class并不直接与机器的操作系统相对应，而是经过虚拟机间接与操作系统交互，由虚拟机将程序解释给本地系统执行。只有JVM还不能成class的执行，因为在解释class的时候JVM需要调用解释所需要的类库lib，而jre包含lib类库。JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使得Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。也就是Java语言最重要的特点—跨平台运行。使用JVM就是为了支持与操作系统无关，实现跨平台。

总结一句：金字塔结构：JDK=JRE+JVM+其它，运行Java程序一般都要求用户的电脑安装JRE环境（Java Runtime Environment）；没有jre，java程序无法运行；而没有java程序，jre就没有用武之地。

3、JVM的生命周期

Java的执行过程也就是JVM从启动到退出的过程。JVM的运行是一个进程单元，可以用jps工具列举出正在运行的JVM 进程。在一个JVM进程中可以运行多个线程。

当启动一个Java程序时，一个虚拟机实例也就诞生了。当该程序关闭退出，这个虚拟机实例也就随之消亡。如果在同一台计算机上同时运行多个Java程序，将得到多个Java虚拟机实例。每个Java程序都运行于它自己的Java虚拟机实例中。

JVM实例对应了一个独立运行的java程序，它是进程级别。

3.1、启动
启动一个Java程序时，一个JVM实例就产生了，任何一个拥有public static void main(String[] args)函数的class都可以作为JVM实例运行的起点。

3.2、运行
main()作为该程序初始线程的起点，任何其他线程均由该线程启动。JVM内部有两种线程：守护线程和非守护线程，main()属于非守护线程，守护线程通常由JVM自己使用，java程序也可以标明自己创建的线程是守护线程。

3.3、消亡
当程序中的所有非守护线程都终止时，JVM才退出；若安全管理器允许，程序也可以使用Runtime类或者System.exit()来退出。

4、 JVM运行原理

操作系统装入JVM是通过jdk中Java.exe来完成,通过下面4步来完成JVM环境。

4.1、JVM装入环境。
JVM提供的方式是操作系统的动态连接文件。既然是文件那就存在一个装入路径的问题，Java是怎么找这个路径的呢？下面基于Windows的实现的分析。

首先查找jre路径，Java是通过GetApplicationHomeapi来获得当前的Java.exe绝对路径，c:\jdk1.7.0_45\bin\Java.exe，然后截取到绝对路径c:\jdk1.7.0_45\，判断c:\jdk1.7.0_45\bin\Java.dll文件是否存在，如果存在就把c:\jdk1.7.0_45\作为jre路径，如果不存在则判断c:\jdk1.7.0_45\jre\bin\Java.dll是否存在，如果存在这c:\jdk1.7.0_45\jre作为jre路径，如果不存在调用GetPublicJREHome查HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\JavaSoft\JavaRuntime Environment\“当前JRE版本号”\JavaHome的路径为jre路径。

然后装载JVM.cfg文件。在我们的jdk目录中jre\bin\server和jre\bin\client都有JVM.dll文件存在，而Java正是通过JVM.cfg配置文件来管理这些不同版本的JVM.dll的。

最后获得JVM.dll的路径，JRE路径+\bin+\JVM类型字符串+\JVM.dll就是JVM的文件路径了，但是如果在调用Java程序时用-XXaltJVM=参数指定的路径path,就直接用path+\JVM.dll文件做为JVM.dll的文件路径。

4.2、装载JVM.dll
通过第一步已经找到了JVM的路径，Java通过LoadJavaVM来装入JVM.dll文件。装入工作很简单，就是调用Windows API函数：LoadLibrary装载JVM.dll动态连接库．然后把JVM.dll中的导出函数JNI_CreateJavaVM和JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs挂接到InvocationFunctions变量的CreateJavaVM和GetDefaultJavaVMInitArgs函数指针变量上。JVM.dll的装载工作宣告完成。

4.3、初始化JVM。
挂接到JNIENV(JNI调用接口)实例，获得本地调用接口，这样就可以在Java中调用JVM的函数了。调用InvocationFunctions－>CreateJavaVM也就是JVM中JNI_CreateJavaVM方法获得JNIEnv结构的实例。

4.4、运行Java程序．
Java程序有两种方式一种是jar包，一种是class。运行jar（Java -jarXXX.jar）的时候，Java.exe调用GetMainClassName函数，该函数先获得JNIEnv实例然后调用Java类Java.util.jar.JarFileJNIEnv中方法getManifest()并从返回的Manifest对象中取getAttributes(“Main-Class”)的值即jar包中文件：META-INF/MANIFEST.MF指定的Main-Class的主类名作为运行的主类。之后main函数会调用Java.c中LoadClass方法装载该主类（使用JNIEnv实例的FindClass）。main函数直接调用Java.c中LoadClass方法装载该类。如果是执行class方法。main函数直接调用Java.c中LoadClass方法装载该类。

然后main函数调用JNIEnv实例的GetStaticMethodID方法查找装载的class主类中“publicstatic void main(String[] args)”方法，并判断该方法是否为public方法，然后调用JNIEnv实例的CallStaticVoidMethod方法调用该Java类的main方法。

5、JVM的体系结构

JVM的基本组成

(1)指令集:JVM指令集
(2)类加载器：在jvm启动时或者类在运行时将需要的class加载到JVM中
(3)执行引擎：负责执行class文件中的字节码指令，相当于CPU
(4)运行时数据区：将内存划分成若干个区，分别完成不同的任务
(5)本地方法区：调用C或C++实现的本地方法代码返回的结果

其中主要包括两个子系统和两个组件： Classloader(类装载器) 子系统，Execution engine(执行引擎) 子系统；Runtime data area (运行时数据区域)组件， Native interface(本地接口)组件。

5.1、Class loader子系统：
根据给定的全限定名类名(如java.lang.Object)来装载class文件的内容到 Runtime data area中的method area(方法区域)。每一个被JVM装载的类型都有一个与之对应的Java.lang.Class类的实例来表示该类型。该实例可以唯一表示被jvm装载的class类，这个实例和其他类的实例一样放在堆内存中。

5.2、Execution engine子系统：
相当于线程，是JVM的核心。执行引擎的作用就是解析JVM字节码指令，执行classes中的指令，得到结果。

执行引擎也就是执行一条条代码的一个流程，代码都包含在方法体中，执行引擎本质上就是执行一个个方法串起来的流程，对应于操作系统的一个线程，每个java线程就是一个执行引擎的实例。

方法的字节码是由Java虚拟机的指令序列构成的。每一条指令包含一个单字节的操作码，后面跟随0个或多个操作数。执行引擎执行字节码时，首先取得一个操作码，如果操作码有操作数，取得它的操作数。它执行操作码和跟随的操作数规定的动作，然后再取得下一个操作码。这个执行字节码的过程在线程完成前将一直持续。执行引擎由各个厂家实现。SUN的hotspot是一种基于栈的执行引擎。而Android的Dalvik是基于寄存器的执行引擎。任何JVM实现的核心是Execution engine，换句话说：Sun 的JDK 和IBM的JDK好坏主要取决于他们各自实现的Execution engine的好坏。

5.3、Runtime data area 组件：运行时数据区
Java虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区，其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。另外一些则是与线程一一对应的，这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

可以看出Java虚拟机的运行时数据区包括了：方法区、Java堆、Java虚拟机栈、PC寄存器、本地方法栈，还有常量池。它们被分为两大类—–线程共享、私有数据区。

5.3.1、线程共享数据区

包括：Java堆、方法区、常量池。它们会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。

（1）Java堆
推荐文章：http://blog.csdn.NET/ljheee/article/details/52196455

Java堆在虚拟机启动的时候被创建，Java堆主要用来为类实例对象和数组分配内存。Java虚拟机规范并没有规定对象在堆中的形式。

在Java中，堆被划分成两个不同的区域：新生代( Young )、老年代( Old )；这也就是JVM采用的“分代收集算法”，简单说，就是针对不同特征的java对象采用不同的策略实施存放和回收，自然所用分配机制和回收算法就不一样。新生代( Young ) 又被划分为三个区域：Eden、From Survivor、To Survivor。（《Java虚拟机精讲》(高翔龙…)）

分代收集算法：采用不同算法处理[存放和回收]Java瞬时对象和长久对象。大部分Java对象都是瞬时对象，朝生夕灭，存活很短暂，通常存放在Young新生代，采用复制算法对新生代进行垃圾回收。老年代对象的生命周期一般都比较长，极端情况下会和JVM生命周期保持一致；通常采用标记-压缩算法对老年代进行垃圾回收。

这样划分的目的是为了使JVM能够更好的管理堆内存中的对象，包括内存的分配以及回收。

Java堆可能发生如下异常情况：如果实际所需的堆超过了自动内存管理系统能提供的最大容量，那Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。

（2）方法区
方法区在虚拟机启动的时候被创建，它存储了每一个类的结构信息，例如运行时常量池、字段和方法数据、构造函数和普通方法的字节码内容、还包括在类、实例、接口初始化时用到的特殊方法。

方法区可能发生如下异常情况：如果方法区的内存空间不能满足内存分配请求，那Java虚拟机将抛出一个OutOfMemoryError异常.

（3）常量池
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是每一个类或接口的常量池的运行时表示形式，它包括了若干种不同的常量：从编译期可知的数值字面量到必须运行期解析后才能获得的方法或字段引用。运行时常量池在方法区中。

在创建类和接口的运行时常量池时，可能会发生如下异常情况：当创建类或接口的时候，如果构造运行时常量池所需要的内存空间超过了方法区所能提供的最大值，那Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。

5.3.2、线程私有数据区
包括：PC寄存器、JVM栈、本地方法区。它们是与线程一一对应的，这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

（1）PC寄存器
每个Java虚拟机线程都有自己的PC寄存器。在某个线程被新建时，会获得一个PC寄存器。线程当前执行的方法称为当前方法，PC寄存器用来存放当前方法中当前执行的字节码指令的地址；之所以为每一个线程都分配一个PC寄存器，试想：多线程运行时，某个时间片内只执行一个线程，CPU在不停的切换多个线程，那如何记录具体每一个线程上一次执行到哪个位置了呢，这时候PC寄存器用来存放当前方法中当前执行的字节码指令的地址，就完美解决了，这就是为什么PC寄存器是线程私有数据区的原因。

如果当前方法是本地方法（Native），那么寄存器存放undefined。寄存器的大小至少应该能够存放一个returnAddress类型的数据或者与平台相关的本地指针的值。

PC寄存器是惟一一个没有明确规定需要抛出OutOfMemoryError异常的运行时数据区。

（2）JVM栈
每个Java虚拟机线程都有自己的Java虚拟机栈。Java虚拟机栈用来存放栈帧，而栈帧主要包括了：局部变量表、操作数栈、动态链接。Java虚拟机栈允许被实现为固定大小或者可动态扩展的内存大小。

Java虚拟机使用局部变量表来完成方法调用时的参数传递。局部变量表的长度在编译期已经决定了并存储于类和接口的二进制表示中，一个局部变量可以保存一个类型为boolean、byte、char、short、float、reference和returnAddress的数据，两个局部变量可以保存一个类型为long和double的数据。

Java虚拟机提供一些字节码指令来从局部变量表或者对象实例的字段中复制常量或变量值到操作数栈中，也提供了一些指令用于从操作数栈取走数据、操作数据和把操作结果重新入栈。在方法调用的时候，操作数栈也用来准备调用方法的参数以及接收方法返回结果。

每个栈帧中都包含一个指向运行时常量区的引用支持当前方法的动态链接。在Class文件中，方法调用和访问成员变量都是通过符号引用来表示的，动态链接的作用就是将符号引用转化为实际方法的直接引用或者访问变量的运行是内存位置的正确偏移量。

总的来说，Java虚拟机栈是用来存放局部变量和过程结果的地方。

Java虚拟机栈可能发生如下异常情况：如果Java虚拟机栈被实现为固定大小内存，线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量时，Java虚拟机将会抛出一个StackOverflowError异常。

如果Java虚拟机栈被实现为动态扩展内存大小，并且扩展的动作已经尝试过，但是目前无法申请到足够的内存去完成扩展，或者在建立新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。

（3）本地方法区
本地方法栈用于支持native方法的运行。（native方法，比如用C/C++实现的代码）