一、JVM与Java体系结构
1、jvm整体结构
2、Java 代码执行流程
二、类加载子系统
1、类加载子系统作用
- 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ExecutionEngine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、类加载器ClassLoader角色
3、类加载过程
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
补充: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
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。
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了,准备阶段会显式初始化;
- 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
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
初始化：
- 初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit> ()的过程。
- 此方法不需定义,是javac编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来。
- 构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行。
- <clinit>()不同于类的构造器。(关联:构造器是虚拟机视角下的<init> ())
- 若该类具有父类, JVM会保证子类的<clinit> ()执行前,父类的<clinit>()已经执行完毕。
- 虚拟机必须保证一个类的<clinit> ()方法在多线程下被同步加锁。
4、类加载器分类
- JVM支持两种类型的类加载器,分别为引导类加载器(Bootstrap
ClassLoader)和自定义类加载器(User-Defined ClassLoader)
- 从概念上来讲, 自定义类加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的一类类加载器,但是Java虚拟机规范却没有这么定义,而是将所有派生于抽象类ClassLoader的类加载器都划分为自定义类加载器。
- 无论类加载器的类型如何划分,在程序中我们最常见的类加载器始终只有3个,如下所示:
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5、虚拟机自带的加载器
- 启动类加载器(引导类加载器, Bootstrap ClassLoader)
①这个类加载使用c/C++语言实现的,嵌套在JVM内部。
②它用来加载Java的核心库(JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar或sun.boot.cIass .path路径下的内容) ,用于提供JVM自身需要的类
③并不继承自java.lang.ClassLoader,没有父加载器。
④加载扩展类和应用程序类加载器,并指定为他们的父类加载器。
⑤出于安全考虑, Bootstrap启动类加载器只加载包名为java, javax.sun等开头的类
- 扩展类加载器(Extension ClassLoader)
①Java语言编写,由sun.misc. Launcher$ExtClassLoader实现。
②派生于ClassLoader类
③父类加载器为启动类加载器
④从java. ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库,或从JDK的安装目录的jre/lib/ext子目录(扩展目录)下加载类库。如果用户创建的JAR放在此目录下,也会自动由扩展类加载器加载。
- 应用程序类加载器(系统类加载器, AppClassLoader)
① java语言编写,由sun.misc. Launcher$AppClassLoader实现
②派生于ClassLoader类
③父类加载器为扩展类加载器
④它负责加载环境变量classpath或系统属性java.class.path指定路径下的类库
⑤该类加载是程序中默认的类加载器,一般来说, Java应用的类都是由它来完成加载
⑥通过ClassLoader#getSystemClassLoader ()方法可以获取到该类加载器
- 用户自定义类加载器
在Java的日常应用程序开发中,类的加载几乎是由上述3种类加载器相互配合执行的,在必要时,我们还可以自定义类加载器,来定制类的加载方式。
为什么要自定义类加载器?
- 隔离加载类
- 修改类加载的方式
- 扩展加载源
- 防止源码泄漏
- 用户自定义类加载器实现步骤:
1.开发人员可以通过继承抽象类java.lang.ClassLoader类的方式,实现自己的类加载器,以满足一些特殊的需求
2.在JDK1.2之前,在自定义类加载器时,总会去继承ClassLoader类并重写loadclass ()方法,从而实现自定义的类加载类,但是在JDK1.2之后已不再建议用户去覆盖loadclass ()方法,而是建议把自定义的类加载逻辑写在findClass ()方法中
3.在编写自定义类加载器时,如果没有太过于复杂的需求,可以直按继承URLCIassLoader类,这样就可以避免自己去编写findClass ()方法及其获取字节码流的方式,使自定义类加载器编写更加简洁。
6、关于ClassLoader
ClassLoader类,它是一个抽象类,其后所有的类加载器都继承自ClassLoader (不包括启动类加载器)
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方法名称 |
描述 |
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getParent() |
返回该类加载器的超类加载器 |
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loadClass(String name) |
加载名称为name的类,返回结果为java.lang.Class类的实例 |
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findClass(String name) |
查找名称为name的类,返回结果为java.lang.Class类的实例 |
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findLoadedClass(String name) |
查找名称为name的已经被加载过的类,返回结果为java.lang.Class类的实例 |
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defineClass(String name,byte[] b,int off,int len) |
把字节数组b中的内容转换为一个Java类,返回结果为java.lang.Class类的实例 |
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resolveClass(Class<?>c) |
连接指定的一个Java类 |
7、获取ClassLoader的途径
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方式一:获取当前类的ClassLoader() |
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clazz.getClassLoader () |
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方式二:获取当前线程上下文的ClassLoader |
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Thread. currentThread().getContextClassLoader() |
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方式三:获取系统的ClassLoader |
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ClassLoader. getSystemClassLoader() |
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方式四:获取调用者的ClassLoader |
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DriverManager.getCallerClassLoader () |
8、双亲委派机制
Java虚拟机对class文件采用的是按需加载的方式,也就是说当需要使用该类时才会将它的class文件加载到内存生成class对象。而且加载某个类的class文件时, Java虚拟机采用的是双亲委派模式,即把请求交由父类处理,它是一种任务委派模式。
工作原理：
1)如果一个类加载器收到了类加载请求,它并不会自己先去加载,而是把这个请求委托给父类的加载器去执行；
2)如果父类加载器还存在其父类加载器,则进一步向上委托,依次递归,请求最终将到达顶层的启动类加载器；
3)如果父类加载器可以完成类加载任务,就成功返回,倘若父类加载器无法完成此加载任务,子加载器才会尝试自己去加载,这就是双亲委派模式。
双亲委派机制举例2
优势
- 避免类的重复加载
- 保护程序安全,防止核心API被随意篡改
- 自定义类: java.lang.String
- 自定义类: java. lang.Shkstart
java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
沙箱安全机制
自定义String类,但是在加载自定义String类的时候会率先使用引导类加载器加载,而引导类加载器在加载的过程中会先加载jdk自带的文件(rt.jar包中java\lang\string.class),报错信息说没有main方法,就是因为加载的是rt.jar包中的string类。这样可以保证对java核心源代码的保护,这就是沙箱安全机制。
9、其他
- 在JVM中表示两个class对象是否为同一个类存在两个必要条件:
- 类的完整类名必须一致,包括包名。
- 加载这个类的ClassLoader (指ClassLoader实例对象)必须相同。
- 换句话说,在JVM中,即使这两个类对象(class对象)来源同一个Class文件,被同一个虚拟机所加载,但只要加载它们的ClassLoader实例对象不同,那么这两个类对象也是不相等的。
对类加载器的引用
JVM必须知道一个类型是由启动加载器加载的还是由用户类加载器加载的。如果一个类型是由用户类加载器加载的,那么JVM会将这个类加载器的一个引用作为类型信息的一部分保存在方法区中。当解析一个类型到另一个类型的引用的时候, JVM需要保证这两个类型的类加载器是相同的。
类的主动使用和被动使用
Java程序对类的使用方式分为:主动使用和被动使用。
- 主动使用,又分为七种情况:
- 创建类的实例
- 访问某个类或接口的静态变量,或者对该静态变量赋值
- 调用类的静态方法
- 反射(比如: Class.forName ("com.atguigu.Test") )
- 初始化一个类的子类
- Java虚拟机启动时被标明为启动类的类
- JDK 7开始提供的动态语言支持：
java. lang. invoke. MethodHandle实例的解析结果
REF_getStatic, REF_putStatic, REF_invokeStatic句柄对应的类没有初始化,则初始化
- 除了以上七种情况,其他使用Java类的方式都被看作是对类的被动使用,都不会导致类的初始化。
三、运行时数据区概述及线程
内存是非常重要的系统资源,是硬盘和CPU的中间仓库及桥梁,承载着操作系统和应用程序的实时运行。JVM内存布局规定了Java在运行过程中内存申请、分配、管理的策略,保证了JVM的高效稳定运行。不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。结合JVM虚拟机规范,来探讨一下经典的JVM内存布局。
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。
灰色的为单独线程私有的,红色的为多个线程共享的。即:
- 每个线程:独立包括程序计数器、栈、本地栈。
- 线程间共享：堆、堆外内存(永久代或元空间、代码缓存)
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1、关于线程间共享的说明
每个JVM只有一个Runtime实例。即为运行时环境,相当于内存结构的中间的那个框框:运行时环境。
2、线程
- 线程是一个程序里的运行单元。JVM允许一个应用有多个线程并行的执行。
- 在Hotspot JVM里,每个线程都与操作系统的本地线程直接映射。
- 当一个Java线程准备好执行以后,此时一个操作系统的本地线程也同时创建。Java线程执行终止后,本地线程也会回收。
- 操作系统负责所有线程的安排调度到任何一个可用的CPU上。一旦本地线程初始化成功,它就会调用Java线程中的run ()方法。
守护线程、普通线程
3、JVM系统线程
- 如果你使用console或者是任何一个调试工具,都能看到在后台有许多线程在运行。这些后台线程不包括调用public static void main(string[])的main线程以及所有这个main线程自己创建的线程
- 这些主要的后台系统线程在Hotspot JVM里主要是以下几个:
- 虚拟机线程:这种线程的操作是需要JVM达到安全点才会出现。这些操作必须在不同的线程中发生的原因是他们都需要JVM达到安全点,这样堆才不会变化。这种线程的执行类型包括"stop-the-world"的垃圾收集,线程栈收集,线程挂起以及偏向锁撤销。
- 周期任务线程:这种线程是时间周期事件的体现(比如中断),他们一般用于周期性操作的调度执行。
- GC线程:这种线程对在JVM里不同种类的垃圾收集行为提供了支持。
- 编译线程:这种线程在运行时会将字节码编译成到本地代码。
- 信号调度线程:这种线程接收信号并发送给JVM,在它内部通过调用适当的方法进行处理。
四、程序计数器(PC 寄存器)
1、PC Register介绍
JVM中的程序计数寄存器(Program Counter Register)中, Register的命名源于CPU的寄存器,寄存器存储指令相关的现场信息。 CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行。
这里,并非是广义上所指的物理寄存器,或许将其翻译为PC计数器(或指令计数器)会更加贴切(也称为程序钩子) ,并且也不容易引起一些不必要的误会。JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。
作用:
PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址,也即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令。
- 它是一块很小的内存空间,几乎可以忽略不记。也是运行速度最快的存储区域。
- 在JVM规范中,每个线程都有它自己的程序计数器,是线程私有的,生命周期与线程的生命周期保持一致。
- 任何时间一个线程都只有一个方法在执行,也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址;或者,如果是在执行native方法,则是未指定值(undefined)
- 它是程序控制流的指示器,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
- 字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。
- 它是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutofMemoryError情况的区域。
2、举例说明
3、两个常见问题
- 使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢?
为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址呢?
因为CPU需要不停的切换各个线程,这时候切换回来以后,就得知道接着从哪开始继续执行。
JVM的字节码解释器就需要通过改变PC寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令。
- PC寄存器为什么会被设定为线程私有?
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我们都知道所谓的多线程在一个特定的时间段内只会执行其中某一个程的方法, CPU会不停地做任务切换,这样必然导致经常中断或恢复,如何保证分毫无差呢?为了能够准确地记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址,最好的办法自然是为每一个线程都分配一个PC寄存器,这样一来各个线程之间便可以进行独立计算,从而不会出现相互干扰的情况。
由于CPU时间片轮限制,众多线程在并发执行过程中,任何一个确定的时刻,一个处理器或者多核处理器中的一个内核,只会执行某个线程中的一条指令。
这样必然导致经常中断或恢复,如何保证分毫无差呢?每个线程在创建后,都会产生自己的程序计数器和栈帧,程序计数器在各个线程之间互不影响。
CPU时间片
CPU时间片即CPU分配给各个程序的时间,每个线程被分配一个时间段,称作它的时间片。
在宏观上:我们可以同时打开多个应用程序,每个程序并行不悖,同时运行。
但在微观上:由于只有一个CPU,一次只能处理程序要求的一部分,如何处理公平,一种方法就是引入时间片,每个程序轮流执行。
