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[b]文章内容摘自于一本很好的书:
《深入java虚拟机(原书第2版)》 作者:(美)Bill Venners 著,曹晓刚、蒋靖 译。[/b]
想深入了解JVM的的朋友可以去买来看看。[/color][/quote]
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这篇文章在网络上转载的非常多,这里就没办法注明出处了!原来内容中缺少了几张图片,我重新将牵涉到的几张图片补充了进来,想要了解的朋友还是去买本书来看看吧。[/b]

一、什么是Java虚拟机

  当你谈到Java虚拟机时,你可能是指:

  1、抽象的Java虚拟机规范

  2、一个具体的Java虚拟机实现

  3、一个运行的Java虚拟机实例

  二、Java虚拟机的生命周期

  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。你在同一台机器上运行三个程序,就会有三个运行中的Java虚拟机。

  Java虚拟机总是开始于一个main()方法,这个方法必须是公有、返回void、直接受一个字符串数组。在程序执行时,你必须给Java虚拟机指明这个包换main()方法的类名。

  Main()方法是程序的起点,他被执行的线程初始化为程序的初始线程。程序中其他的线程都由他来启动。Java中的线程分为两种:守护线程(daemon)和普通线程(non-daemon)。守护线程是Java虚拟机自己使用的线程,比如负责垃圾收集的线程就是一个守护线程。当然,你也可以把自己的程序设置为守护线程。包含Main()方法的初始线程不是守护线程。

  只要Java虚拟机中还有普通的线程在执行,Java虚拟机就不会停止。如果有足够的权限,你可以调用exit()方法终止程序。

  三、Java虚拟机的体系结构

  在Java虚拟机的规范中定义了一系列的子系统、内存区域、数据类型和使用指南。这些组件构成了Java虚拟机的内部结构,他们不仅仅为Java虚拟机的实现提供了清晰的内部结构,更是严格规定了Java虚拟机实现的外部行为。

  每一个Java虚拟机都由一个类加载器子系统(class loader subsystem),负责加载程序中的类型(类和接口),并赋予唯一的名字。每一个Java虚拟机都有一个执行引擎(execution engine)负责执行被加载类中包含的指令。

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  程序的执行需要一定的内存空间,如字节码、被加载类的其他额外信息、程序中的对象、方法的参数、返回值、本地变量、处理的中间变量等等。 Java虚拟机将 这些信息统统保存在数据区(data areas)中。虽然每个Java虚拟机的实现中都包含数据区,但是Java虚拟机规范对数据区的规定却非常的抽象。许多结构上的细节部分都留给了 Java虚拟机实现者自己发挥。不同Java虚拟机实现上的内存结构千差万别。一部分实现可能占用很多内存,而其他以下可能只占用很少的内存;一些实现可能会使用虚拟内存,而其他的则不使用。这种比较精炼的Java虚拟机内存规约,可以使得Java虚拟机可以在广泛的平台上被实现。

  数据区中的一部分是整个程序共有,其他部分被单独的线程控制。每一个Java虚拟机都包含方法区(method area)和堆(heap),他们都被整个程序共享。Java虚拟机加载并解析一个类以后,将从类文件中解析出来的信息保存与方法区中。程序执行时创建的对象都保存在堆中。

  当一个线程被创建时,会被分配只属于他自己的PC寄存器“pc register”(程序计数器)和Java堆栈(Java stack)。当线程不掉用本地方法时,PC寄存器中保存线程执行的下一条指令。Java堆栈保存了一个线程调用方法时的状态,包括本地变量、调用方法的参数、返回值、处理的中间变量。调用本地方法时的状态保存在本地方法堆栈中(native method stacks),可能再寄存器或者其他非平台独立的内存中。

  Java堆栈有堆栈块(stack frames (or frames))组成。堆栈块包含Java方法调用的状态。当一个线程调用一个方法时,Java虚拟机会将一个新的块压到Java堆栈中,当这个方法运行结束时,Java虚拟机会将对应的块弹出并抛弃。

  Java虚拟机不使用寄存器保存计算的中间结果,而是用Java堆栈在存放中间结果。这是的Java虚拟机的指令更紧凑,也更容易在一个没有寄存器的设备上实现Java虚拟机。

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  图中的Java堆栈中向下增长的,PC寄存器中线程三为灰色,是因为它正在执行本地方法,他的下一条执行指令不保存在PC寄存器中。

  四、数据类型(Data Types)

  所有Java虚拟机中使用的数据都有确定的数据类型,数据类型和操作都在Java虚拟机规范中严格定义。Java中的数据类型分为原始数据类型(primitive types)和引用数据类型(reference type)。引用类型依赖于实际的对象,但不是对象本身。原始数据类型不依赖于任何东西,他们就是本身表示的数据。

  所有Java程序语言中的原始数据类型,都是Java虚拟机的原始数据类型,除了布尔型(boolean)。当编译器将Java源代码编译为自己码时,使用整型(int)或者字节型(byte)去表示布尔型。在Java虚拟机中使用整数0表示布尔型的false,使用非零整数表示布尔型的true,布尔数组被表示为字节数组,虽然他们可能会以字节数组或者字节块(bit fields)保存在堆中。

  除了布尔型,其他Java语言中的原始类型都是Java虚拟机中的数据类型。在Java中数据类型被分为:整形的byte,short,int,long;char和浮点型的float,double.Java语言中的数据类型在任何主机上都有同样的范围。

  在Java虚拟机中还存在一个Java语言中不能使用的原始数据类型返回值类型(returnValue)。这种类型被用来实现Java程序中的“finally clauses”,具体的参见18章的“Finally Clauses”。

  引用类型可能被创建为:类类型(class type),接口类型(interface type),数组类型(array type)。他们都引用被动态创建的对象。当引用类型引用null时,说明没有引用任何对象。

  Java虚拟机规范只定义了每一种数据类型表示的范围,没有定义在存储时每种类型占用的空间。他们如何存储由Java虚拟机的实现者自己决定。关于浮点型更多信息参见14章“Floating Point Arithmetic”。

TypeRange
  byte8-bit signed two's complement integer (-27 to 27 - 1, inclusive)
  short16-bit signed two's complement integer (-215 to 215 - 1, inclusive)
  int32-bit signed two's complement integer (-231 to 231 - 1, inclusive)
  long64-bit signed two's complement integer (-263 to 263 - 1, inclusive)
  char16-bit unsigned Unicode character (0 to 216 - 1, inclusive)
  float32-bit IEEE 754 single-precision float
  double64-bit IEEE 754 double-precision float
  returnValueaddress of an opcode within the same method
  referencereference to an object on the heap, or null

五、字节长度

  Java虚拟机中最小的数据单元式字(word),其大小由Java虚拟机的实现者定义。但是一个字的大小必须足够容纳 byte,short,int, char,float,returnValue,reference;两个字必须足够容纳long,double.所以虚拟机的实现者至少提供的字不能小于31bits的字,但是最好选择特定平台上最有效率的字长。

  在运行时,Java程序不能决定所运行机器的字长。字长也不会影响程序的行为,他只是在Java虚拟机中的一种表现方式。

  六、类加载器子系统

  Java虚拟机中的类加载器分为两种:原始类加载器(primordial class loader)和类加载器对象(class loader objects)。原始类加载器是Java虚拟机实现的一部分,类加载器对象是运行中的程序的一部分。不同类加载器加载的类被不同的命名空间所分割。

  类加载器调用了许多Java虚拟机中其他的部分和java.lang包中的很多类。比如,类加载对象就是 java.lang.ClassLoader子类的实例,ClassLoader类中的方法可以访问虚拟机中的类加载机制;每一个被Java虚拟机加载的类都会被表示为一个 java.lang.Class类的实例。像其他对象一样,类加载器对象和Class对象都保存在堆中,被加载的信息被保存在方法区中。

  1、加载、连接、初始化(Loading, Linking and Initialization)

  类加载子系统不仅仅负责定位并加载类文件,他按照以下严格的步骤作了很多其他的事情:(具体的信息参见第七章的“类的生命周期”)

  1)、加载:寻找并导入指定类型(类和接口)的二进制信息

  2)、连接:进行验证、准备和解析

  ①验证:确保导入类型的正确性

  ②准备:为类型分配内存并初始化为默认值

  ③解析:将字符引用解析为直接饮用


  3)、初始化:调用Java代码,初始化类变量为合适的值

  2、原始类加载器(The Primordial Class Loader)

  每个Java虚拟机都必须实现一个原始类加载器,他能够加载那些遵守类文件格式并且被信任的类。但是,Java虚拟机的规范并没有定义如何加载类,这由 Java虚拟机实现者自己决定。对于给定类型名的类型,原始莱加载器必须找到那个类型名加“。class”的文件并加载入虚拟机中。

  3、类加载器对象

  虽然类加载器对象是Java程序的一部分,但是ClassLoader类中的三个方法可以访问Java虚拟机中的类加载子系统。

  1)、protected final Class defineClass(…):使用这个方法可以出入一个字节数组,定义一个新的类型。

  2)、protected Class findSystemClass(String name):加载指定的类,如果已经加载,就直接返回。

  3)、protected final void resolveClass(Class c):defineClass()方法只是加载一个类,这个方法负责后续的动态连接和初始化。

  具体的信息,参见第八章“连接模型”( The Linking Model)。

  4、命名空间

  当多个类加载器加载了同一个类时,为了保证他们名字的唯一性,需要在类名前加上加载该类的类加载器的标识。具体的信息,参见第八章“连接模型”( The Linking Model)。

  七、方法区(The Method Area)

  在Java虚拟机中,被加载类型的信息都保存在方法区中。这写信息在内存中的组织形式由虚拟机的实现者定义,比如,虚拟机工作在一个 “little- endian”的处理器上,他就可以将信息保存为“little-endian”格式的,虽然在Java类文件中他们是以“big-endian”格式保存的。设计者可以用最适合并地机器的表示格式来存储数据,以保证程序能够以最快的速度执行。但是,在一个只有很小内存的设备上,虚拟机的实现者就不会占用很大的内存。

  程序中的所有线程共享一个方法区,所以访问方法区信息的方法必须是线程安全的。如果你有两个线程都去加载一个叫Lava的类,那只能由一个线程被容许去加载这个类,另一个必须等待。

  在程序运行时,方法区的大小是可变的,程序在运行时可以扩展。有些Java虚拟机的实现也可以通过参数也订制方法区的初始大小,最小值和最大值。

  方法区也可以被垃圾收集。因为程序中的内由类加载器动态加载,所有类可能变成没有被引用(unreferenced)的状态。当类变成这种状态时,他就可能被垃圾收集掉。没有加载的类包括两种状态,一种是真正的没有加载,另一个种是“unreferenced”的状态。详细信息参见第七章的类的生命周期(The Lifetime of a Class)。

  1、类型信息(Type Information)

  每一个被加载的类型,在Java虚拟机中都会在方法区中保存如下信息:

  1)、类型的全名(The fully qualified name of the type)

  2)、类型的父类型的全名(除非没有父类型,或者弗雷形式java.lang.Object)(The fully qualified name of the typeís direct superclass)

  3)、给类型是一个类还是接口(class or an interface)(Whether or not the type is a class )

  4)、类型的修饰符(public,private,protected,static,final,volatile,transient等)(The typeís modifiers)

  5)、所有父接口全名的列表(An ordered list of the fully qualified names of any direct superinterfaces)

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