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JAVA虚拟机(JVM)系列：
JAVA虚拟机(JVM)一：了解JAVA体系结构
JAVA虚拟机(JVM)二：JVM工作原理
JAVA虚拟机(JVM)三：类加载器子系统

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一、前言

大家都知道，Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行，至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。这就是Java的能够“一次编译，到处运行”的原因。

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

所以，JVM是JAVA的重中之重，作为一个JAVA系的开发者，必须要对JVM有深刻的理解，才能写出高效的JAVA程序。故本人一直想对JVM做一次深入的学习，那么现在就开始吧。

前提:本文讲的基本都是以Sun HotSpot虚拟机为基础的

本节是为写一系列JVM文章做准备，因为，讲JVM之前必须要学习了解JAVA的体系结构，才能搞清楚前因后果，来龙去脉。只有这样体系的学习，才是有效的学习方法，否则肯定是一知半解，理解不透彻，说不定看完的就忘记了。

很多人都在用Java，但对Java的体系结构并不是很了解，最近也是想了解JVM的相关知识，才开始关注这方面的内容，做了一些笔记，摘抄给大家共同学习。

二、JAVA体系结构

说起Java，人们首先想到的是Java编程语言，然而事实上，Java是一种技术，它由四方面组成：

Java编程语言、
Java类文件格式、
Java虚拟机
Java应用程序接口(Java API)。

它们的关系如下图所示：

JAVA体系结构.png

运行期环境代表着Java平台，开发人员编写Java代码(.java文件)，然后将之编译成字节码(.class文件)，再然后字节码被装入内存，一旦字节码进入虚拟机，它就会被解释器解释执行，或者是被即时代码发生器有选择的转换成机器码执行。

Java平台由Java虚拟机和Java应用程序接口搭建，Java语言则是进入这个平台的通道，用Java语言编写并编译的程序可以运行在这个平台上。这个平台的结构如下图所示：

JAVA平台结构.png

在Java平台的结构中, 可以看出，Java虚拟机(JVM) 处在核心的位置，是程序与底层操作系统和硬件无关的关键。它的下方是移植接口，移植接口由两部分组成：适配器和Java操作系统, 其中依赖于平台的部分称为适配器；JVM 通过移植接口在具体的平台和操作系统上实现；在JVM 的上方是Java的基本类库和扩展类库以及它们的API， 利用Java API编写的应用程序(application) 和小程序(Java applet) 可以在任何Java平台上运行而无需考虑底层平台, 就是因为有Java虚拟机(JVM)实现了程序与操作系统的分离，从而实现了Java 的平台无关性。

JVM在它的生存周期中有一个明确的任务，那就是运行Java程序，因此当Java程序启动的时候，就产生JVM的一个实例；当程序运行结束的时候，该实例也跟着消失了。

三、一些JAVA基本概念

既然JVM那么重要，下面我们降深入的研究JVM，弄懂它的工作原理。但，此前，我们很有必要先了解一些JAVA的基本概念。

1、什么是JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java虚拟机包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。 JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码）,就可以在多种平台上不加修改地运行。JVM在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

2、JRE/JDK/JVM是什么关系

JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java运行环境)，也就是Java平台。所有的Java 程序都要在JRE下才能运行。普通用户只需要运行已开发好的java程序，安装JRE即可。

JDK(Java Development Kit)：是程序开发者用来来编译、调试java程序用的开发工具包。JDK的工具也是Java程序，也需要JRE才能运行。为了保持JDK的独立性和完整性，在JDK的安装过程中，JRE也是 安装的一部分。所以，在JDK的安装目录下有一个名为jre的目录，用于存放JRE文件。

JVM(JavaVirtualMachine，Java虚拟机)：是JRE的一部分。它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。JVM有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。Java语言最重要的特点就是跨平台运行。使用JVM就是为了支持与操作系统无关，实现跨平台。

3、数据类型

Java虚拟机中，数据类型可以分为两类：

primitive types（原生类型）
reference types（引用类型）

3.1 primitive types（原生类型）

primitive types（原生类型），保存原始值，即：他代表的值就是数值本身。

原生类型包括：

Numeric Types(数值类型)：

byte（1 byte）
short，char（2 bytes）
int，float（4 bytes）
long，double（8 bytes）

Boolean Type(布尔类型)

boolean（1 byte）

returnAddress 类型

returnAddress 类型

returnAddress 类型的值是指向字节码的指针。

不管是物理机还是虚拟机，运行时内存中的数据总归可分为两类：代码，数据。对于 JVM 来说，程序就是存储在方法区的字节码指令，而 returnAddress 类型的值就是指向特定指令内存地址的指针。

JVM支持多线程，每个线程有自己的程序计数器（pc register），而 pc 中的值就是当前指令所在的内存地址，即 returnAddress 类型的数据，当线程执行 native 方法时，pc 中的值为 undefined。

3.2 reference types（引用类型）

reference types（引用类型），让 JVM 能更好的支持于面向对象语言的设计，它存储的是存引用值，引用值用来指向内存中分配的类实例或者数组，而非对象或数组本身，对象本身存放在这个引用值所表示的地址的位置。

引用类型包括：

类类型
接口类型
数组

4、对象引用类型

对象引用类型分为

强引用：就是我们一般声明对象时虚拟机生成的引用，强引用环境下，垃圾回收时需要严格判断当前对象是否被强引用，如果被强引用，则不会被垃圾回收。

软引用：软引用一般被做为缓存来使用。与强引用的区别是，软引用在垃圾回收时，虚拟机会根据当前系统的剩余内存来决定是否对软引用进行回收。如果剩余内存比较紧张，则虚拟机会回收软引用所引用的空间；如果剩余内存相对富裕，则不会进行回收。换句话说，虚拟机在发生OutOfMemory时，肯定是没有软引用存在的。

弱引用：弱引用与软引用类似，都是作为缓存来使用。但与软引用不同，弱引用在进行垃圾回收时，是一定会被回收掉的，因此其生命周期只存在于一个垃圾回收周期内。

虚引用：顾名思义，就是形同虚设，与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收。

强引用不用说，我们系统一般在使用时都是用的强引用。

软引用和弱引用比较少见，他们一般被作为缓存使用，而且一般是在内存大小比较受限的情况下做为缓存。因为如果内存足够大的话，可以直接使用强引用作为缓存即可，同时可控性更高。因而，他们常见的是被使用在桌面应用系统的缓存。

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。

虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于：虚引用必须和引用队列（ReferenceQueue）联合使用。当垃 圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。程序可以通过判断引用队列中是 否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。程序如果发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

5、堆与栈

栈是运行时的单位
堆是存储的单位。

栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据；
堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放、放在哪儿。

在Java中一个线程就会相应有一个线程栈与之对应，这点很容易理解，因为不同的线程执行逻辑有所不同因此需要一个独立的线程栈。而堆则是所有线程共享的。栈因为是运行单位，因此里面存储的信息都是跟当前线程（或程序）相关信息的。包括局部变量、程序运行状态、方法返回值等等；而堆只负责存储对象信息。

堆中存的是对象。栈中存的是基本数据类型和堆中对象的引用。

堆和栈中，栈是程序运行最根本的东西。程序运行可以没有堆，但是不能没有栈。而堆是为栈进行数据存储服务，说白了堆就是一块共享的内存。不过，正是因为堆和栈的分离的思想，才使得Java的垃圾回收成为可能。

Java中，栈的大小通过-Xss来设置，当栈中存储数据比较多时，需要适当调大这个值，否则会出现java.lang.StackOverflowError异常。常见的出现这个异常的是无法返回的递归，因为此时栈中保存的信息都是方法返回的记录点。

四、结语

再来复习一下JAVA的系统机构图，加深印象

JAVA体系结构.png

这一节是为学习JVM做准备的，下面，我们就开始进入对正主的学习，敬请期待。

本人能力有限，这里只局限于本人的认知，如有描述不当的地方，麻烦诸位指出。