java 是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言,是由 Sun Microsystems 公司于 1995 年 5 月推出的 Java 程序设计语言和 Java 平台(即 JavaEE(j2ee), JavaME(j2me), JavaSE(j2se))的总称。
本文主要介绍了 Java 虚拟机的工作原理。具有很好的参考价值。下面跟着小编一起来看下吧
首先我想从宏观上介绍一下 Java 虚拟机的工作原理。从最初的我们编写的 Java 源文件(.java 文件)是如何一步步执行的,如下图所示,首先 Java 源文件经过前端编译器(javac 或 ECJ)将. java 文件编译为 Java 字节码文件,然后 JRE 加载 Java 字节码文件,载入系统分配给 JVM 的内存区,然后执行引擎解释或编译类文件,再由即时编译器将字节码转化为机器码。主要介绍下图中的类加载器和运行时数据区两个部分。
类加载
类加载指将类的字节码文件(.class)中的二进制数据读入内存,将其放在运行时数据区的方法区内,然后在堆上创建 java.lang.Class 对象,封装类在方法区内的数据结构。类加载的最终产品是位于堆中的类对象,类对象封装了类在方法区内的数据结构,并且向 JAVA 程序提供了访问方法区内数据结构的接口。如下是类加载器的层次关系图。
启动类加载器(BootstrapClassLoader):在 JVM 运行时被创建,负责加载存放在 JDK 安装目录下的 jre\lib 的类文件,或者被 - Xbootclasspath 参数指定的路径中,并且能被虚拟机识别的类库(如 rt.jar,所有的 java.* 开头的类均被 Bootstrap ClassLoader 加载)。启动类无法被 JAVA 程序直接引用。
扩展类加载器(Extension ClassLoader):该类加载器负责加载 JDK 安装目录下的 \ jre\lib\ext 的类,或者由 java.ext.dirs 系统变量指定路径中的所有类库,开发者也可以直接使用扩展类加载器。
应用程序类加载器(AppClassLoader):负责加载用户类路径(Classpath)所指定的类,开发者可以直接使用该类加载器,如果应用程序中没有定义过自己的类加载器,该类加载器为默认的类加载器。
用户自定义类加载器(User ClassLoader):JVM 自带的类加载器是从本地文件系统加载标准的 java class 文件,而自定义的类加载器可以做到在执行非置信代码之前,自动验证数字签名,动态地创建符合用户特定需要的定制化构建类,从特定的场所(数据库、网络中)取得 java class。
注意如上的类加载器并不是通过继承的方式实现的,而是通过组合的方式实现的。而 JAVA 虚拟机的加载模式是一种委派模式,如上图中的 1-7 步所示。下层的加载器能够看到上层加载器中的类,反之则不行。类加载器可以加载类但是不能卸载类。说了一大堆,还是感觉需要拿点代码说事。
首先我们先定义自己的类加载器 MyClassLoader,继承自 ClassLoader,并覆盖了父类的 findClass(String name) 方法,如下:
- public class MyClassLoader extends ClassLoader {
- private String loaderName; //类加载器名称
- private String path = ""; //加载类的路径
- private final String fileType = ".class";
- public MyClassLoader(String name) {
- super(); //应用类加载器为该类的父类
- this.loaderName = name;
- }
- public MyClassLoader(ClassLoader parent, String name) {
- super(parent);
- this.loaderName = name;
- }
- public String getPath() {
- return this.path;
- }
- public void setPath(String path) {
- this.path = path;
- }@Override public String toString() {
- return this.loaderName;
- }@Override public Class < ?>findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
- byte[] data = loaderClassData(name);
- return this.defineClass(name, data, 0, data.length);
- }
- //读取.class文件
- private byte[] loaderClassData(String name) {
- InputStream is = null;
- byte[] data = null;
- ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
- try {
- is = new FileInputStream(new File(path + name + fileType));
- int c = 0;
- while ( - 1 != (c = is.read())) {
- baos.write(c);
- }
- data = baos.toByteArray();
- } catch(Exception e) {
- e.printStackTrace();
- } finally {
- try {
- if (is != null) is.close();
- if (baos != null) baos.close();
- } catch(IOException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- return data;
- }
- }
我们如何利用我们定义的类加载器加载指定的字节码文件(.class)呢?如通过 MyClassLoader 加载 C:\\Users\\Administrator\\ 下的 Test.class 字节码文件,代码如下所示:
- public class Client {
- public static void main(String[] args) {
- // TODO Auto-generated method stub
- //MyClassLoader的父类加载器为系统默认的加载器AppClassLoader
- MyClassLoader myCLoader = new MyClassLoader("MyClassLoader");
- //指定MyClassLoader的父类加载器为ExtClassLoader
- //MyClassLoader myCLoader = new MyClassLoader(ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent(),"MyClassLoader");
- myCLoader.setPath("C:\\Users\\Administrator\\");
- Class < ?>clazz;
- try {
- clazz = myCLoader.loadClass("Test");
- Field[] filed = clazz.getFields(); //获取加载类的属性字段
- Method[] methods = clazz.getMethods(); //获取加载类的方法字段
- System.out.println("该类的类加载器为:" + clazz.getClassLoader());
- System.out.println("该类的类加载器的父类为:" + clazz.getClassLoader().getParent());
- System.out.println("该类的名称为:" + clazz.getName());
- } catch(ClassNotFoundException e) {
- // TODO Auto-generated catch block
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }
运行时数据区
字节码的加载第一步,其后分别是认证、准备、解析、初始化,那么这些步骤又具体做了哪些工作,以及他们会对运行时数据区缠身什么影响呢?如下图所示:
如下我们将介绍运行时数据区,主要分为方法区、Java 堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。其中方法区和 Java 堆一样,是各个线程共享的内存区域,而虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器是线程私有的内存区。
Java 堆:Java 堆是 Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块,被进程的所有线程共享,在虚拟机启动时被创建。该区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存,随着 JIT 编译器的发展与逃逸分支技术逐渐成熟,栈上分配、标量替换等优化技术使得对象在堆上的分配内存变得不是那么 "绝对"。Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域。由于现在的收集器基本都采用分代收集算法,所以 Java 堆中还可以分为老年代和新生代 (Eden、From Survivor、To Survivor)。根据 Java 虚拟机规范,Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间,只要逻辑上连续即可。该区域的大小可以通过 - Xmx 和 - Xms 参数来扩展,如果堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法扩展,将会抛出 OutOfMemoryError 异常。
方法区:用于存储被 Java 虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。不同于 Java 堆的是,Java 虚拟机规范对方法区的限制非常宽松,可以选择不实现垃圾收集。但并非数据进入了方法区就 "永久" 存在了,这区域内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。如果该区域内存不足也会抛出 OutOfMemoryError 异常。
常量池:这个名词可能大家也经常见,它是方法区的一部分。Class 文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息就是常量池,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。Java 虚拟机运行期间,也可能将新的常量放入常量池(如 String 类的 intern() 方法)。
虚拟机栈:线程私有,生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型:每个方法在执行时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法从调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。如果请求的站深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出 StackOverflowError 异常,虚拟机栈在动态扩展时如果无法申请到足够的内存,就会抛出 OutOfMemoryError 异常。
本地方法栈:与虚拟机栈类似,不过虚拟机栈是为虚拟机执行 Java 方法(字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的 Native 方法服务。该区域同样会报 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。
程序计数器:一块较小的内存空间,可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。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,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完成。如果线程正在执行一个 Java 方法,计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址,如果正在执行的是 Native 方法,这个计数器值为空。此内存区域是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。
写了这么多,感觉还是少一个例子。通过最简单的一段代码解释一下,程序在运行时数据区个部分的变化情况。
- public class Test {
- public static void main(String[] args) {
- String name = "best.lei";
- sayHello(name);
- }
- public static void sayHello(String name) {
- System.out.println("Hello " + name);
- }
- }
通过编译器将 Test.java 文件编译为 Test.class,利用 javap -verbose Test.class 对编译后的字节码进行分析,如下图所示:
我们在看看运行时数据区的变化:
以上就是本文的全部内容,希望本文的内容对大家的学习或者工作能带来一定的帮助,同时也希望多多支持 PHPERZ!
来源: http://www.phperz.com/article/17/1219/357884.html