天天講JVM效能調優，你知道JVM的體系結構嗎?

前言：

大家都知道，Java中JVM的重要性，學習了JVM你對Java的執行機制、編譯過程和如何對Java程式進行調優相信都會有一個很好的認知。在面試中JVM也是非常重要的一部分，比如JVM調優，JVM物件分配規則，記憶體模型、方法區，還有種要GC等。

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廢話不多說，直接帶大家來初步認識一下JVM。

什麼是JVM？

JVM(Java Virtual Machine)是一個抽象的計算機，和實際的計算機一樣，它具有指令集並使用不同的儲存區域，它負責執行指令，還要管理資料、記憶體和暫存器。

看到這裡，可能不懂JVM的人，已經蒙圈了。沒關係，下面讓我詳細為大家介紹JVM的體系架構圖，或許你會明白些。

簡單來說，JVM就是一個虛擬計算機。我們都知道Java語言其中的一個特性就是跨平臺的，而JVM就是Java程式實現跨平臺的關鍵部分。Java編譯器編譯Java程式時，生成的是與平臺無關的位元組碼（也就是.class檔案），所謂的平臺無關是指編譯生成的位元組碼無論是在Window、Linux、Mac系統都是可執行。也就是說Java編譯生成的.class檔案不是面向平臺的，而是面向JVM的。不同平臺上的JVM都是不同的，但是他們都是提供了相同的介面。圖一為Java的大致執行步驟：

參照一個《瘋狂Java講義》中提到例子來幫助大家理解JVM的作用：

JVM的作用就像有兩隻不同的鉛筆，但需要把同一個筆帽套在兩支不同的筆上，只有為這兩支筆分別提供一個轉換器，這個轉換器向上的介面相同，用於適應同一個筆帽；向下的介面不同，用於適應兩支不同的筆。在這個類比中，可以近似地理解兩支不同的筆就是不同的作業系統，而同一個筆帽就是Java位元組碼程式，轉換器角色則對應JVM。類似地，也可以認為JVM分為向上和向下兩個部分，所有平臺的JVM向上提供給Java位元組碼程式的介面完全相同，但向下適應的不同平臺的介面則互不相同。

JVM體系結構概覽

上面我們是初步介紹了JVM的作用，那麼要深入去了解JVM我們就需要了解JVM的體系結構，請看圖二：

圖二是JVM的體系架構圖，接下讓我們一起來聊一聊每一個部分都是什麼意思。

1.類裝載器子系統（ClassLoader）

負責載入class檔案，class檔案在檔案開頭有特定的檔案標示，將class檔案位元組碼內容載入到記憶體中，並將這些內容轉換成方法區中的執行時資料結構並且ClassLoader只負責class檔案的載入，至於它是否可以執行，則由Execution Engine決定。

Java編譯生成的*.class檔案就是通過ClassLoader進行載入的，那麼這裡就會有幾個問題：

ClassLoader如何知道*.class檔案就是需要載入的檔案？
如果我手動將一個普通檔案的擴充套件名稱改為class字尾，ClassLoader會載入這個檔案嗎？
實際上，class檔案在檔案的開頭是有特定的檔案標識的，隨便編寫一個Java程式，編譯生成一個class檔案，開啟後你都能看到如下內容：

cafe babe就是class檔案的一個標識，ClassLoader負責載入有cafe babe的class檔案，它將class檔案位元組碼內容載入到記憶體中，並將這些內容轉換成方法區中的執行時的資料結構並且ClassLoader只負責class檔案的載入，至於它是否可以執行，則由Execution Engine決定，請看圖三：

Car.class檔案通過ClassLoader進行載入到記憶體中，Car Class在記憶體中就相當一個模板，我們可以通過這個模板可以範例化成不同的範例car1、car2、car3。

不知大家會不會有一個疑問，ClassLoader載入Car.class在Java中是用什麼型別的載入器載入的呢？在解答這個問題前我們先寫個簡單的程式碼看看：

//new一個Car物件
        Car car = new Car();

        //得到ClassLoader
        ClassLoader classLoader = car.getClass().getClassLoader();

        //列印結果
        System.out.println(classLoader);

結果為：
我們再來看看另外一組程式碼：

<pre style="margin: 0px; padding: 0px; white-space: pre-wrap; word-wrap: break-word; font-family: &quot;Courier New&quot; !important; font-size: 12px !important;">        //new兩個不同的物件
        Car car = new Car();
        String string = new String(); //得到ClassLoader
        ClassLoader classLoader1 = car.getClass().getClassLoader();
        ClassLoader classLoader2 = string.getClass().getClassLoader(); //列印結果
 System.out.println(classLoader1);
        System.out.println(classLoader2);</pre>

結果為：

從上面我們可以知道，ClassLoader的列印結果一個是「sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2」，一個則是「null」，這是怎麼回事呢，細心的朋友就可以發現這兩個不同的物件中，其中car物件是我們自己寫的一個類，string物件是系統自帶的一個類。簡單來說就是ClassLoader會根據不同的類選擇不同的類載入器去進行載入。這裡就牽扯到了ClassLoader的分類

ClassLoader的類別：

啟動類載入器(BootStrap)
擴充套件類載入器(Extension)
應用程式類載入器(AppClassLoader)
使用者自定義載入器
一般我們自己所寫的類用的類載入器都是AppClassLoader，就是上圖所示的「sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2」，而為什麼string這個物件是」null「呢？實際上，這個「null」指的就是使用BootStrap這個載入器。

那可能有人有疑問，自己定義的類用AppClassLoader，能理解，因為car這個物件輸出的類載入器名字中有AppClassLoader這個字樣，但是為什麼string這個物件是」null「，從哪裡可用體現是用BootStrap這個載入器呢？是這樣的，BootStrap累載入器相當於擴充套件類載入器、應用程式類載入器的祖宗，若是用了BootStrap，由於BootStrap上一級已經沒有了，所以就用「null」來表示

其實我們可以找一下String這個類在JDK的位置：

$JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar/java/lang

所有在這個路徑$JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar這個jar包下的類都是用BootStrap來載入的。

下面請看圖4：

這張圖就可以很清晰得看到：

1.所有在$Java_Home/jre/lib/rt.jar是通過BootStrap載入的

2.所有在$Java_Home/jre/lib/ext/*.jar是通過Extension載入的

3.所有在$CLASSPATH是通過SYSTEM載入的（應用程式類載入器也叫系統類載入器，載入當前應用的classpath的所有類）

接下來我們再來看一個例子：

如果建立一個java.lang包，然後建立String類，列印一句話執行會怎麼樣呢？

<pre style="margin: 0px; padding: 0px; white-space: pre-wrap; word-wrap: break-word; font-family: &quot;Courier New&quot; !important; font-size: 12px !important;">package java.lang; public class String { public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World");
    }
}</pre>

效果如下：

可以看到程式報錯了，說是找不到main方法，可是明明就有main方法為什麼沒有執行呢？這裡就涉及了雙親委派機制

雙親委派機制：

當一個類收到了類載入請求，他首先不會嘗試自己去載入這個類，而是把這個請求委派給父類別去完成，每一個層次類載入器都是如此，因此所有的載入請求都應該傳送到啟動類載入器中，只有當父類別載入器反饋自己無法完成這個請求的時候（在它的載入路徑下沒有找到所需載入的Class），子類載入器才會嘗試自己去載入。

所以它實際的執行過程是這樣的：

ClassLoader收到String類的載入請求。
先去Bootstrap查詢是否有這個類，沒有則反饋無法完成這個請求，但是恰好，在rt.jar中找到了java.lang.Stirng這個類
執行這個類，這個類是沒有定義main方法的
報錯，類中沒有定義main方法
所以上面的例子，他會找到jdk中java.lang.String這個類，這個類確實是沒有定義main方法，簡單來說它執行的類是JDK中java.lang.String這個類，而不是我們自己定義的類。

那用雙親委派機制有什麼好處呢：

採用雙親委派的一個好處是比如載入位於 rt.jar 包中的類 java.lang.Object，不管是哪個載入器載入這個類，最終都是委託給頂層的啟動類載入器進行載入，這樣就保證了使用不同的類載入器最終得到的都是同樣一個 Object物件。

2.執行引擎(Execution Engine)

執行引擎負責解釋命令，提交給作業系統執行，這裡對執行引擎就不做過多的解釋了，只要知道他是負責解釋命令的即可。

3.本地方法介面(Native Interface)和本地方法棧(Native Method Stack)

本地介面:本地介面的作用是融合不同的程式語言為 Java 所用，它的初衷是融合 C/C++程式，Java 誕生的時候是 C/C++橫行的時候，要想立足，必須有呼叫 C/C++程式，於是就在記憶體中專門開闢了一塊區域處理標記為native的程式碼，它的具體做法是 Native Method Stack中登記 native方法，在Execution Engine 執行時載入native libraies。
目前該方法使用的越來越少了，除非是與硬體有關的應用，比如通過Java程式驅動印表機或者Java系統管理生產裝置，在企業級應用中已經比較少見。因為現在的異構領域間的通訊很發達，比如可以使用 　　　Socket通訊，也可以使用Web Service等等，不多做介紹。

如果在程式中有見到native關鍵字，就代表不是Java能完成的事情了，需要載入本地方法庫才能完成

本地方法棧：它的具體做法是Native Method Stack中登記native方法，在Execution Engine 執行時載入本地方法庫。說白了就是本地方法由本地方法棧來登記，Java中的方法由Java棧來登記。

4.PC暫存器(Program Counter Register)

每個執行緒都有一個程式計數器，是執行緒私有的,就是一個指標，指向方法區中的方法位元組碼（用來儲存指向下一條指令的地址,也即將要執行的指令程式碼），由執行引擎讀取下一條指令，是一個非常小的記憶體空間，幾乎可以忽略不記。
這塊記憶體區域很小，它是當前執行緒所執行的位元組碼的行號指示器，位元組碼直譯器通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的位元組碼指令。
如果執行的是一個Native方法，那這個計數器是空的。
PC暫存器用來完成分支、迴圈、跳轉、例外處理、執行緒恢復等基礎功能。由於使用的記憶體較小，所以不會發生記憶體溢位(OutOfMemory)錯誤。

最後

那麼這篇文章先講到這裡，下篇文章中我們再繼續來聊一聊方法區、棧和堆…

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