JAVA虚拟机JVM工作原理

提起JAVA，都知道它有个虚拟机，因此可以跨平台，一次编写，到处运行。但具体原理是咋样的？身为JAVA小白，岂可不知！

一、原理
二、结构
1、类加载器
2、执行引擎
3、运行时数据区域
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一、原理
JVM实现了JAVA语言最重要的特征：平台无关性。其原理：java程序并不直接在操作系统上执行，而是由JVM执行。JVM屏蔽了与具体平台相关的信息，使得JAVA程序只需编译成适应JVM，可以在JVM上运行的目标代码（.class）就行，JVM再负责解释成具体平台的机器指令执行。同时，JVM还会进行安全检查，是java程序的安全检验引擎。

二、结构
JVM由三大部分组成：

1、类加载器
2、执行引擎
3、运行时数据区域
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也有说法是包括本地库接口的。

首先通过编译器把 Java源代码转换成字节码，Class loader(类装载)再把字节码加载到内存
中，将其放在运行时数据区的方法区内，而字节码文件只是 JVM 的一套指令集规范，并不能直
接交给底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器执行引擎（Execution Engine），将
字节码翻译成底层系统指令，再交由 CPU 去执行，而这个过程中需要调用其他语言的本地库
接口（Native Interface）来实现整个程序的功能。

1、类加载器
具体作用就是将.class文件加载到jvm虚拟机中去，程序就可以正确运行了。但是，jvm启动的时候，并不会一次性加载所有的.class文件，而是根据需要去动态加载。

类的加载过程采用双亲委派模型：

1）当前类加载器首先检查自己的加载清单，如果存在该类，则返回之；

2）如果没找到，委托父类加载器去加载；父类加载器重复动作1，递归至祖宗bootstrap ClassLoder（我靠，bootstrap，还以为是前端框架呢。bootstrap，引导之意）；

3）都没有，仍然由当前类加载器加载，并纳入自己缓存中。
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采用双亲委派模型，目的在于更好的保证Java平台的安全。所谓的安全，是指java的核心类不被用户自己编写的类所替换。由于核心类在虚拟机初始化时就已加载，而每次加载类前先检查是否存在，所以可以避免核心类被替换。

各种类加载器：

Bootstrap class loader： 启动类加载器（或曰父类加载器）
当运行 java 虚拟机时，这个类加载器被创建，它负责加载虚拟机的核心类库，如 java.lang.* 等。例如 java.lang.Object 就是由根类加载器加载的。需要注意的是，这个类加载器不是用 java 语言写的，而是用 C/C++ 写的。

这个类加载器负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。

Extension class loader:扩展类加载器
这个加载器加载出了基本 API 之外的一些拓展类。

这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。

AppClass Loader（SystemAppClass）:
加载应用程序和程序员自定义的类。

2、执行引擎
作用： 执行java编译好的字节码，或者执行本地方法

3、运行时数据区域
JVM 运行时数据区域 (JVM Runtime Area) 其实就是指 JVM 在运行期间，其对JVM内存空间的划分和分配。JVM在运行时将数据划分为6个区域来存储：

Program Counter (PC) Register：程序计数器

Java Virtual Machine Stacks：Java虚拟机栈

Heap Memory：堆内存

Method Area：方法区

Run-time Constant Pool：运行时常量池

Native Method Stacks：本地方法栈
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我们写的所有程序都被加载到这里，按不同类别存放在

堆内存
Java虚拟机栈
本地方法栈
程序计数器
方法区
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1）从线程的角度理解Java Runtime Area

a.线程私有：
程序计数器 Java虚拟机栈 本地方法栈，生命周期与线程一致；

这3个内存区域是不需要进行垃圾回收的。因为他们的生命周期是和线程同步的，随着线程的销毁，他们占用的内存会自动释放。

b.线程共享：
堆内存，方法区，运行时常量池，生命周期与JVM一致。

方法区和堆内存需要进行垃圾回收，回收的对象就是那些不存在任何引用的对象。

2）从存储内容理解Java Runtime Area

方法区和常量池存储类的信息

堆内存存储对象信息

程序计数器，Java虚拟机栈，本地方法栈存储线程的信息

3）堆内存、方法区和运行时常量
方法区的作用是存储 Java 类的结构信息，当我们创建对象实例后，对象的类型信息存储在方法区之中，实例数据存放在堆内存中；

运行时常量池是方法区的一部分，所以也是全局共享的。其作用是存储 Java 类文件常量池中的符号信息。

运行时常量池就是将编译后的类信息放入方法区中，也就是说它是方法区的一部分。 运行时常量池用来动态获取类信息，包括：class文件元信息描述、编译后的代码数据、引用类型数据、类文件常量池等。 运行时常量池是在类加载完成之后，将每个class常量池中的符号引用值转存到运行时常量池中。

4）直接内存（Direct Memory）
直接内存并不是JVM管理的内存，而是JVM以外的机器内存。比如，你有4G的内存，JVM占用了1G，则其余的3G就是直接内存。

JDK中有一种基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的内存分配方式，将由C语言实现的native函数库分配在直接内存中，用存储在JVM堆中的DirectByteBuffer来引用。由于直接内存收到本机器内存的限制，所以也可能出现OutOfMemoryError的异常。

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2022.09.18

【什么是永久代？它和方法区有什么关系呢？】
如果在HotSpot虚拟机上开发、部署，很多程序员都把方法区称作永久代。可以说方法区是规
范，永久代是Hotspot针对该规范进行的实现。在Java7及以前的版本，方法区都是永久代实现
的。

【什么是元空间？它和方法区有什么关系呢？】
对于Java8，HotSpots取消了永久代，取而代之的是元空间(Metaspace)。换句话说，就是方
法区还是在的，只是实现变了，从永久代变为元空间了。

【HotSpot】
SUN的JDK版本从1.3.1开始运用HotSpot虚拟机， 2006年底开源，主要使用C++实现，JNI接口部分用C实现。

HotSpot是较新的Java虚拟机，用来代替JIT(Just in Time)，可以大大提高Java运行的性能。

Java原先是把源代码编译为字节码在虚拟机执行，这样执行速度较慢。而HotSpot将常用的部分代码编译为本地(原生，native)代码，这样显着提高了性能。 HotSpot JVM 参数可以分为规则参数(standard options)和非规则参数(non-standard options)。