Java虚拟机工作原理具体解释

一、类载入器

首先来看一下java程序的运行过程。

从这个框图非常easy大体上了解java程序工作原理。首先，你写好java代码，保存到硬盘其中。然后你在命令行中输入

javac YourClassName.java

此时，你的java代码就被编译成字节码（.class).假设你是在Eclipse IDE或者其它开发工具中，你保存代码的时候，开发工具已经帮你完毕了上述的编译工作，因此你能够在相应的文件夹下看到class文件。此时的class文件依旧是保存在硬盘中，因此，当你在命令行中执行

java YourClassName

就完毕了上面红色方框中的工作。JRE的来载入器从硬盘中读取class文件，载入到系统分配给JVM的内存区域--运行数据区（Runtime Data Areas). 然后运行引擎解释或者编译类文件，转化成特定CPU的机器码，CPU运行机器码，至此完毕整个过程。

接下来就重点研究一下类载入器到底为何物？又是怎样工作的？

首先看一下来载入器的一些特点，有点抽象，只是总有帮助的。

》》层级结构

类载入器被组织成一种层级结构关系，也就是父子关系。当中，Bootstrap是全部类载入器的父亲。例如以下图所看到的：

--Bootstrap class loader：

当执行java虚拟机时，这个类载入器被创建，它载入一些主要的java API，包含Object这个类。须要注意的是，这个类载入器不是用java语言写的，而是用C/C++写的。

--Extension class loader:

这个载入器载入出了基本API之外的一些拓展类，包含一些与安全性能相关的类。（眼下了解得不是非常深，仅仅能笼统说，待日后再具体说明）

--System Class Loader:

它载入应用程序中的类，也就是在你的classpath中配置的类。

--User-Defined Class Loader:

这是开发者通过拓展ClassLoader类定义的自己定义载入器，载入程序猿定义的一些类。

》》委派模式（Delegation Mode）

细致看上面的层次结构，当JVM载入一个类的时候，下层的载入器会将将任务托付给上一层类载入器，上一层载入检查它的命名空间中是否已经载入这个类，假设已经载入，直接使用这个类。假设没有载入，继续往上托付直到顶部。检查完了之后，依照相反的顺序进行载入，假设Bootstrap载入器找不到这个类，则往下托付，直到找到类文件。对于某个特定的类载入器来说，一个Java类仅仅能被载入一次，也就是说在Java虚拟机中，类的完整标识是（classLoader，package，className）。一个雷能够被不同的类载入器载入。

举个详细的样例来说明，如今增加我有一个自定义的类MyClass须要载入，假设不指定的话，一般交App（System）载入。接到任务后，System检查自己的库里是否已经有这个类，发现没有之后托付给Extension，Extension进行相同的检查，发现还是没有继续往上托付，最顶层的Boots发现自己库里也没有，于是依据它的路径（Java 核心类库，如java.lang）尝试去载入，没找到这个MaClass类，于是仅仅好（人家看好你，交给你完毕，你无能为力，仅仅好交给别人啦）往下托付给Extension，Extension到自己的路径（JAVA_HOME/jre/lib/ext)是找，还是没找到，继续往下，此时System载入器到classpath路径寻找，找到了，于是载入到Java虚拟机。

如今如果我们将这个类放到JAVA_HOME/jre/lib/ext这个路径中去（相当于交给Extension载入器载入），依照相同的规则，最后由Extension载入器载入MyClass类，看到了吧，统一各类被两次载入到JVM，可是每次都是由不同的ClassLoader完毕。

》》可见性限制

下层的载入器可以看到上层载入器中的类，反之则不行，也就是是说托付仅仅能从下到上。

》》不同意卸载类

类载入器能够载入一个类，可是它不能卸载一个类。可是类载入器能够被删除或者被创建。

当类载入完毕之后，JVM继续依照下图完毕其它工作：

框图中各个步骤简介例如以下：

Loading：文章前面介绍的类载入，将文件系统中的Class文件载入到JVM内存（执行数据区域）

Verifying：检查加载的类文件是否符合Java规范和虚拟机规范。

Preparing：为这个类分配所须要的内存，确定这个类的属性、方法等所需的数据结构。（Prepare a data structure that assigns the memory required by classes and indicates the fields, methods, and interfaces defined in the class.）

Resolving：将该类常量池中的符号引用都改变为直接引用。（不是非常理解）

Initialing：初始化类的局部变量，为静态域赋值，同一时候运行静态初始化块。

那么，Class Loader在载入类的时候，到底做了些什么工作呢？

要了解这当中的细节，必须得先具体介绍一下执行数据区域。

二、执行数据区域

Runtime Data Areas：当执行一个JVM演示样例时，系统将分配给它一块内存区域（这块内存区域的大小能够设置的），这一内存区域由JVM自己来管理。从这一块内存中分出一块用来存储一些执行数据，比如创建的对象，传递给方法的參数，局部变量，返回值等等。分出来的这一块就称为执行数据区域。执行数据区域能够划分为6大块：Java栈、程序计数寄存器（PC寄存器）、本地方法栈（Native Method Stack）、Java堆、方法区域、执行常量池（Runtime Constant Pool）。执行常量池本应该属于方法区，可是因为其重要性，JVM规范将其独立出来说明。当中，前面3各区域（PC寄存器、Java栈、本地方法栈）是每一个线程独自拥有的，后三者则是整个JVM实例中的全部线程共同拥有的。这六大块例如以下图所看到的：

》PC计数器：

每个线程都拥有一个PC计数器，当线程启动（start）时，PC计数器被创建，这个计数器存放当前正在被运行的字节码指令（JVM指令）的地址。

》Java栈：

相同的，Java栈也是每一个线程单独拥有，线程启动时创建。这个栈中存放着一系列的栈帧（Stack Frame），JVM仅仅能进行压入（Push）和弹出（Pop）栈帧这两种操作。每当调用一个方法时，JVM就往栈里压入一个栈帧，方法结束返回时弹出栈帧。假设方法运行时出现异常，能够调用printStackTrace等方法来查看栈的情况。栈的示意图例如以下：

OK。如今我们再来具体看看每个栈帧中都放着什么东西。从示意图非常easy看出，每个栈帧包括三个部分：本地变量数组，操作数栈，方法所属类的常量池引用。

》局部（本地）变量数组：

局部（本地）变量数组中，从0開始按顺序存放方法所属对象的引用、传递给方法的參数、局部变量。举个样例：

public void doSomething(int a, double b, Object o) {
...
}

0: this
1: a
2,3:b
4:0

》操作数栈：

操作数栈中存放方法运行时的一些中间变量，JVM在运行方法时压入或者弹出这些变量。事实上，操作数栈是方法真正工作的地方，运行方法时，局部变量数组与操作数栈依据方法定义进行数据交换。比如，运行下面代码时，操作数栈的情况例如以下：

int a = 90;
int b = 10;
int c = a + b;

class Example3C{
    public static void addAndPrint(){
        double result = addTwoTypes(1,88.88);
        System.out.println(result);
    }
    public static double addTwoTypes(int i, double d){
    return i+d;
    }

}