Java高手的30k之路｜面试宝典｜精通JVM（二）

JVM基本结构

• 类加载子系统：负责将.class文件加载到内存中，并进行验证、准备、解析和初始化。
• 运行时数据区：包括堆（Heap）、方法区（Method Area）、Java栈（Java Stack）、本地方法栈（Native Method Stack）和程序计数器（Program Counter Register）。
• 执行引擎：包括解释器（Interpreter）、即时编译器（JIT Compiler）和垃圾收集器（Garbage Collector）。
• 本地接口：JNI（Java Native Interface）和本地库接口。

上图展示了JVM的基本结构，各组件的布局和相对位置如下：

1. Class Loader Subsystem（类加载子系统）：负责将字节码文件加载到内存中。
2. Execution Engine（执行引擎）：包括解释器、即时编译器和垃圾收集器，负责执行字节码。
3. Heap（堆）：用于存储对象实例和数组，由垃圾收集器管理。
4. Method Area（方法区）：存储已加载的类信息、常量池、静态变量和JIT编译后的代码。
5. Java Stack（Java栈）：每个线程都有自己的Java栈，用于存储局部变量、操作数栈、帧数据等。
6. Native Method Stack（本地方法栈）：用于本地方法的执行。
7. Program Counter Register（程序计数器）：记录当前线程所执行的字节码的地址。
8. JNI（本地接口）：Java Native Interface，用于Java与本地代码的交互。

执行引擎

解释器和即时编译器（JIT Compiler）是JVM中执行引擎的重要组成部分，它们的主要职能如下：

解释器（Interpreter）

解释器的主要职能是逐行解释字节码并执行。具体来说：

1. 逐行解释执行：解释器将Java字节码逐行解释为机器指令并执行。这种方式的优点是启动快，能够快速响应并执行代码，尤其是对小型或简单程序而言。

2. 执行慢：由于解释器需要逐行解释字节码，每次执行都要进行解释，因而执行速度较慢。对于频繁执行的代码段，这种开销会变得很明显。

3. 主要用途：解释器在程序启动阶段发挥重要作用，使程序能迅速启动并开始执行。在此过程中，它还可以收集程序的运行数据，帮助JIT编译器进行优化。

即时编译器（JIT Compiler）

JIT编译器的主要职能是将热点代码（经常执行的代码）编译成本地机器码，从而提高执行效率。具体来说：

1. 热点代码编译：JIT编译器通过监控程序的运行，识别出频繁执行的代码段（热点代码），并将这些代码编译成机器码，以便直接在CPU上执行。这样可以显著提高执行速度。

2. 优化代码：JIT编译器在编译过程中可以进行多种优化，如方法内联（将频繁调用的小方法直接嵌入到调用点）、逃逸分析（确定对象是否可以分配在栈上而不是堆上）、循环展开和消除冗余代码等。通过这些优化，编译后的机器码性能更高。

3. 混合模式执行：JVM采用解释器和JIT编译器相结合的混合模式。程序启动时，解释器迅速执行代码并收集运行数据。随着程序的执行，JIT编译器逐步将热点代码编译为高效的机器码，以提高整体执行性能。

4. 编译时间和性能权衡：虽然JIT编译会引入一定的编译时间开销，但这个开销通常被编译后执行的性能提升所弥补。JIT编译器在运行时做出的优化决策，使得程序能在不同的运行环境中表现出更好的性能。

本地方法栈（Native Method Stack）是JVM中的一个运行时数据区，用于支持本地方法的执行。本地方法通常是使用本地编程语言（如C、C++）编写的，用来实现Java中无法直接实现的底层操作或者与操作系统交互。具体来说，本地方法栈存放以下内容：

本地方法栈

本地方法栈存储与本地方法调用相关的信息，包括方法的参数、局部变量和返回值等。它类似于Java栈，但专门用于本地方法的执行。

1. 本地方法接口（JNI）的数据

JNI（Java Native Interface）是Java与本地语言交互的接口。本地方法栈包含JNI所需的数据结构，用于管理和执行本地方法调用。这些数据结构包括：

• JNI环境指针：用于访问JNI环境和调用JNI函数。
• JNI局部引用：本地方法中创建的Java对象引用，它们的生命周期在方法执行期间。

3. 操作系统调用栈

当本地方法调用涉及操作系统层面的功能时，本地方法栈也会存储相应的调用栈信息。例如，调用系统API、进行文件I/O操作或网络操作时，操作系统的调用栈信息也会被存放在本地方法栈中。

4. 原生库的信息

本地方法栈可能包含加载的原生库的相关信息。通过JNI加载的本地库（如.dll或.so文件）的加载地址和加载状态信息都可能存放在本地方法栈中。

示例

以下是一个简单的示例，展示了Java代码如何调用本地方法：

public class NativeExample {
    // 声明本地方法
    public native void printHello();

    static {
        // 加载本地库
        System.loadLibrary("NativeExample");
    }

    public static void main(String[] args) {
        new NativeExample().printHello();
    }
}

对应的C代码实现如下：

#include 
#include 
#include "NativeExample.h"

JNIEXPORT void JNICALL Java_NativeExample_printHello(JNIEnv *env, jobject obj) {
    printf("Hello from native code!\n");
}

在上述示例中，printHello方法的调用涉及以下步骤：

1. Java代码通过JNI调用本地方法。
2. JVM将调用信息（参数、局部变量等）推入本地方法栈。
3. 本地方法栈中的JNI环境指针和局部引用用于管理和执行本地方法。
4. 本地方法执行并可能调用操作系统API，操作系统调用栈信息也存储在本地方法栈中。

类加载器

在Java高级开发中，深入理解类加载器（ClassLoader）是非常重要的。类加载器负责将类文件加载到JVM中，并按照特定的机制进行管理。以下是对启动类加载器、扩展类加载器和应用类加载器的详细介绍。

1. 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

• 作用：负责加载Java核心类库中的类，如java.lang.*、java.util.*等。
• 实现：启动类加载器是由本地代码实现的（通常是C/C++），并且它是JVM的一部分。
• 类路径：从/lib目录加载类，如rt.jar、charsets.jar等。
• 特点：
  • 启动类加载器是没有父类加载器的根类加载器。
  • 它不是由Java语言实现的，因此在Java程序中无法直接获取启动类加载器的引用。
  • 加载系统级的、与平台相关的Java类。

2. 扩展类加载器（Extension ClassLoader）

• 作用：负责加载Java扩展库中的类。
• 实现：扩展类加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类实现。
• 类路径：从/lib/ext目录加载类或者从由系统属性java.ext.dirs指定的目录加载类。
• 特点：
  • 扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。
  • 它加载的是位于扩展目录中的库，这些库通常提供额外的功能或服务。

3. 应用类加载器（Application ClassLoader）

• 作用：负责加载应用程序类路径（classpath）下的类。
• 实现：应用类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader类实现。
• 类路径：从系统属性java.class.path指定的目录或JAR文件中加载类，即通常的CLASSPATH环境变量。
• 特点：
  • 应用类加载器的父类加载器是扩展类加载器。
  • 它加载应用程序自定义的类和库，是开发者最常接触到的类加载器。
  • 可以通过ClassLoader.getSystemClassLoader()方法获取应用类加载器的实例。

双亲委派模型

Java的类加载机制采用了双亲委派模型。此模型的核心思想是：类加载器在加载一个类时，首先将请求委派给父类加载器，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才尝试自己加载。

双亲委派模型的工作流程如下：

1. 当一个类加载器收到类加载请求时，它不会自己先去加载，而是将该请求委派给父类加载器。
2. 父类加载器接着将该请求委派给它的父类加载器，依此递归下去，直到请求被委派到启动类加载器。
3. 启动类加载器尝试加载，如果成功则返回加载结果；如果失败（如类不存在），则将控制权交回给子类加载器。
4. 子类加载器接到失败通知后，自己尝试加载该类。

优点：

• 避免重复加载：确保Java核心类库不会被重复加载，确保全局唯一。
• 安全性：防止核心类库被自定义类覆盖。

自定义类加载器

有时我们需要自定义类加载器以满足特定需求，如加载网络上的类、从数据库加载类等。自定义类加载器可以通过继承ClassLoader类实现，并重写findClass方法。例如：

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] classData = loadClassData(name); // 读取类文件的字节码
        if (classData == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        }
        return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
    }

    private byte[] loadClassData(String name) {
        // 自定义类加载逻辑，例如从网络或数据库加载类字节码
        return null;
    }
}