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JVM内存分析,以及一步步详解Java程序是如何运行的?

简介: 云栖号资讯:【点击查看更多行业资讯】在这里您可以找到不同行业的第一手的上云资讯,还在等什么,快来! VM也就是Java虚拟机,它的内存结构这块知识点。 你说它重要吧,编写代码基本用不到它;你说它不重要吧,程序员想要进阶又必须对底层有一定的了解。
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VM也就是Java虚拟机,它的内存结构这块知识点。

你说它重要吧,编写代码基本用不到它;

你说它不重要吧,程序员想要进阶又必须对底层有一定的了解。

最终还是决定更加深入地学习下JVM,同时也用自己的理解详细地说明Java程序是如何运行的。

当然本人目前的能力有限,只能说尽己之能学的越多越好。

一、Java程序开发三步骤

编写、编译和运行,图解如下:

1

①编写阶段

后缀名为.Java的文件,也就是所谓的源码。

但是Java虚拟机它并不认识.Java文件,Java虚拟机和Java语言其实并没有必然的联系。

其实我挺想吐槽的,你们长的这么像,竟然不认识?

那为何不认识呢?

按照我个人的理解,我们常说的代码、Java语言,其实本质上还是人类定义的一门语言,主要由英文组成,Java虚拟机 本身并不认识它。

所以需要将其编译成Java虚拟机 认识的语言,即.class文件。

②编译阶段

后缀名为.class的文件,也就是所谓的字节码文件。

字节码文件,就可以理解成我们写代码一个类(接口、枚举、注释)里面的所有数据。

.class文件是如何来的?

javac编译器编译而来的,它能将.java文件编译成.class文件,这样的话JVM也就能认识.class文件了。

我们平时写的代码其实也是Java源码,只不过开发工具很强大,将这三个阶段糅合在一起了,以IDEA工具为例:

2

src,其实就是源码的意思,我们平时编写的类、接口、枚举、注解等文件,其实本质上就是.java文件。

利用开发工具中的Show in Explorer功能,可以找到计算机里对应的文件夹文件。

out,这个我还不太懂具体是什么意思,但是.class文件就在这个文件夹里面。

如果不用开发工具,我们需要用javac编译器将.java文件编译成.class文件;

开发工具等于是自动帮我们编译了,非常的方便,但是原理我们要明白。

既然讲到了.class文件,再回顾下反射中刚学的Class对象:

Class本身也是Java里的一个类,它其实就是指的字节码文件。

注意:小写字母开头的class是Java里的一个关键字,创建一个类时类名前面都会由它来修饰。

所以Class类也就表示成:class Class{};

前面是关键字,后面是类名。

最后用一个例子来说明:

我们在开发工具里面编写一个Student类;

那么在对应的文件夹下就会有一个Student.java文件,也就是源码;同时开发工具会给我编译一个对应的Student.class文件,也就是字节码文件;

而这个字节码文件会有唯一的一个Class对象,专门用来描述该字节码文件,在反射中可以拿来使用,除此之外还可以作为线程锁。

③运行阶段

Java虚拟机是认识.class文件的,也就是说能够用来运行程序了。

但它具体是如何运行的呢?

就需要知道JDK了,图解如下:

2

①JRE:Java Runtime Environment

翻译过来就是Java运行环境,包含JVM和运行时所需要的核心类库。

也就是说有了JRE就可以运行Java程序了,但是只能用来运行,如果出了bug,是没法修改的,所以需要JDK。

②JDK:Java Development Kit

翻译过来就是Java程序开发工具包,包含JRE 和开发人员使用的工具。

前面提到的javac编译器就是Java工具,JRE中是没有javac编译器的,所以它没法修改程序,毕竟没有编译的话JVM是不认识的。

Java虚拟机是认识字节码文件的,并且本质上它就是一个字节码翻译器。

它可以将字节码文件翻译成各个系统(Windows系统、Mac系统、linux系统)对应的机器码;

这样的话就能确保字节码文件能在各个系统上正确运行。

这也就是Java所谓的跨平台特性的由来。

接下来我们就详细地了解下Java虚拟机。

二、JVM内存结构

我们看oracle最新的官方文档,最权威的便是这个官方文档,毕竟技术是不断更新的:

3

JVM内存主要分为这五大块:

  • 程序计数器(The pc Register)
  • Java虚拟机栈(Stacks)
  • 堆内存(Heap)
  • 方法区(Method Area)
  • 本地方法栈(Native Method Stacks)

其中官方文档中还有一个运行时常量池,暂且不考虑。

①stack栈

我们常说的栈内存,其实严格上来说应该叫Java虚拟机栈。

利用开发工具IDEA断点调试,我们可以很清晰地看到方法进栈出栈的过程。

5

这是一段非常简易的代码:main方法里面调用method1方法,method1方法里面调用method2方法。

利用右上角两个功能键,可以一步一步了解方法进栈出栈的过程。

Frames,翻译过来就是帧的意思,一个方法对应一个栈帧。

什么叫帧?

在影像动画里 ,一个镜头就是一帧;那么栈帧就可以理解成方法进栈的那一刻,就会形成一个栈帧。

每个方法进栈都会有一个对应的栈帧。

此外、栈是先进先出原则,mian方法在最底下,最先进来,最后出去。

这个过程可以用断点调试模拟出来,感兴趣的小伙伴可以去尝试下。

其中方法栈里的线程是不共享的,什么意思呢?

最直接地理解就是:栈里面,不同的线程是独立存在的,所以线程安全。

与之相对的是堆、方法区线程是共享的,这又是什么意思呢?

最直接地理解就是:堆、方法区里面的数据,不同的线程都可以拿过去用,所以线程不安全。

②heep:堆

我们看oracle最新的官方文档对其的说明,最权威的便是这个官方文档,毕竟技术是不断更新的:

6

这是翻译成中文后的页面,原文都是英文,英语好的小伙伴可以直接看,不过翻译大体上也还算是准确的:

  • 堆的线程是共享的(数据共享)
  • 堆的区域是用来存放对象和数组的(new 对象 new 数组,看到new这个关键字就可以想到堆)
  • 堆在Java虚拟机启动时创建。
  • 堆的大小可以是固定的,也可以扩展:使用“-Xms”与“-Xmx”控制堆的最小与最大内存。

此外对象是会创建很多的,其中一小部分会一直被使用到,大部分我们使用后就会舍弃,所以这也是垃圾收集器管理的主要区域。

根据这两种不同的情况,垃圾收集器为了更好地一一应对,堆内存又被划分成新生代和老年代:

  • 老年代:对象会一直被使用到,不会轻易地被回收
  • 新生代:对象朝生夕灭,需要经常回收

其中还有更加详细地细分,实在是有点学不动了,暂时不考虑。

③方法区

同样的,看官方文档:

7

这个翻译有点问题,但大体上也能看:

  • 方法区的线程是共享的。
  • 方法区在Java虚拟机启动时创建。
  • 方法区的作用是存储每个类的结构。

既然是存储类的结构,那么.class文件也就是存储在这个内存区域。

说白了就是类里面的数据,都是存在这个方法区里面的。

类中有什么?

成员变量,成员方法等等,其中方法和变量还分静态和非静态。

这些都是存储在方法区里面的,除了类里的数据,常量池也在方法区里面。

方法运行时,会从方法区进入到栈里面;

创建该类的对象时,会将创建的对象存放在堆里面。

其中静态变量随着类的加载而加载,它并不会进堆。

以上三块便是和我们编写Java代码息息相关的内存区域,除此之外还有两块区域:

④程序计数器

我们平时编写的代码可以被反编译成JVM指令,cpu就是依靠这个程序计数器执行指令的:

8

程序计数器会保存当前执行指令的地址,比如说程序计数器现在保存的为0,那么CPU会执行0对应的指令;

一旦指令执行,程序计数器将更新到下一条指令,上图中也就是3,CPU接着会执行3对应的指令。

就这样依次执行下去,程序计数器的作用就在于保证程序能正常运行。

⑤本地方法栈

①中的栈准确地说应该叫虚拟机栈,它服务的方法是Java方法;

本地方法栈作用和其是差不多的,不同的地方在于它服务的方法不是Java方法而是本地方法;

什么叫本地方法?我们其实见过,如下图:

9

Objcet类中就有本地方法,被native这个关键字修饰,native就是本地的意思,这很好记忆。

也就是说该方法不是由Java语言写的,而是由本地语言写的,比如说C语言。

当然虚拟机规范中并未给出强制规定由什么本地语言写,不同的虚拟机可以自由实现。

以上便是对JVM内存结的说明,除了JVM内存结构外,还有两大块……

三、JVM体系结构

源码通过编译成字节码文件,再被类加载器加载进内存,最后经过各种交互被执行,大致就是这么一个运行流程:

10

①类加载子系统(Class loader SubSystem)

它的作用是将类加载进内存,在Java中对应一个类ClassLoader,该类是一个抽象类。

  • 引导类加载器(Bootstrap ClassLoader)

它是由C++编写的,是用来引导Java程序的,它并不是ClassLoader子类。

  • 扩展类加载器(Extension ClassLoader)

它是由Java程序编写的,负责加载java平台中扩展功能的一些jar包。

  • 应用类加载器:(Application ClassLoader)

它是由Java程序编写的,加载编写的代码。

②运行时数据区(Runtime Data Areas)

也就是JVM内存结构,上述已经详细讲解了,这也是对于程序员来说需要去重点了解的。

③执行引擎(Execution Engine)

解释器interpreter:它是用于读取字节码文件,对其解释并逐一执行,它的解释速度较快,但是执行较慢,并且它有一个致命的缺点,就是当同一个方法被多次调用时,它每次都要解释。

即时编译器JIT Compiler:它是用来优化解释器的,解决上述的缺点。

垃圾回收器GC:收集并回收由new关键字创建的对象。

④本地方法接口和本地方法库

存放本地方法。

总结:

以上便是对Java程序运行的详解,以及对JVM内存的分析。

奈何本人能力实在是有限,还有一些地方法没有弄明白,讲解的也不算很深入,但就我当前具备的能力而言,已经算是最详细的解读了。

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原文发布时间:2020-06-06
本文作者:刘小爱
本文来自:“掘金”,了解相关信息可以关注“掘金”

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