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深入理解JVM(一)——基本原理

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前言

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,本系列试图通过简洁易读的方式,讲解JVM必要的知识点。

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:

109_1.png

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:

109_2.png

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:C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_101\jre\lib\amd64\jvm.cfg,打开看一下:

109_3.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:C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_101\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。

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:

109_4.png

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,它们也是后面学习jvm最重要的部分。

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。

本地方法栈角色和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。

结语

本文主要介绍了java虚拟机运行的基本流程,以及java虚拟机内部结构。下一篇我们将学习java内存模型以及探索java变量的可见性、有序性、指令重排等问题。

文章永久链接:https://tech.souyunku.com/?p=16019

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