朝花夕拾——初探Java虛拟機及其加載過程

這一周的顔如玉系列裡，大部分都在研究Android的熱更新檔技術。這裡不做深入，原理無非是在Android在加載Dex時，先記載新的class檔案，以此替換舊的class檔案。附上張鴻洋的的Blog連結，有興趣的朋友可以了解。

為了徹底了解這一技術原理，是以打算從Java 虛拟機（Java Virtual Machine：以下簡稱 JVM）的加載開始學習。

本篇會以系統的方式為大家帶來以下内容：

1. JVM及其生命周期介紹
2. JVM體系結構介紹
3. JVM加載Class過程

JVM生命周期介紹

什麼是JVM？

在《深入JAVA虛拟機第二版》中是這樣定義的：

• 抽象規範
• 一個具體的實作
• 一個運作中的虛拟機執行個體

以上内容有點奇怪。一個虛拟機怎麼有三種截然不同的定義？

因為在不同的環境下，這JVM有三種含義：

假如你是要實作某某平台下的JVM，那麼一開始，JVM對你來說就是一個規範或者一個概念。然後，你可以采用軟體，或軟硬結合的方式來具體實作JVM的規範（即具體實作）。當你運作一個Java程式的時候，JVM就是一個運作中的虛拟機執行個體。

好吧，的确有點奇怪。不過對我們開發者來說，最後一個定義更符合我們的了解。

JVM的生命周期

對于一個JVM而言，它的生命周期與Java程式的運作情況息息相關，當你想開啟一個Java程式時，會先生成一個JVM的運作執行個體，這個執行個體通過調用程式中的 main（String[] args）開啟Java程式。我們的Java程式就在這個JVM執行個體中運作的。當你退出程式，目前的JVM執行個體也被銷毀。

請注意：這是 1 <–>1 的關系，一個JVM隻負責運作一個Java程式。

JVM體系結構介紹

從上面，我們知道一個Java程式是在一個JVM中運作的。那JVM裡到底有什麼東西呢？

下圖是JVM的體系結構圖，包含着我們的JVM裡所有的東西。

• 類裝載子系統：涉及了Java虛拟機的其他幾個部分，以及幾個來自java.lang庫的類（如 ClassLoader：為程式提供了通路類裝載器機制的接口），詳細内容将在下文JVM加載過程部分中講訴。
• 運作時資料區（記憶體）：分為5個子產品，這個比較重要，稍後會有詳細說明。
• 本地方法接口：通過這個接口可使得JVM内的Java程式與本地方法進行互動，咦，怎麼那麼眼熟？其實就是我們的JNI啦
• 執行引擎：JVM運作我們Java代碼的核心實作。通過PC寄存器中的指令執行Java方法，也可以執行本地方法接口。需要注意的是一個線程對應一個執行引擎

作為一個Coder，OutOfMemryError，StackOverFlowError這些錯誤應該是經常遇到的。那為什麼會産生這些錯誤呢，就與我們的運作時資料區（記憶體區）有關系。

下面，我們按是否線程私有來區分這五個子產品：

(我說的細的掉渣，如果你隻想粗淺的知道 點這）

所有線程均可通路：方法區，堆

• 方法區：簡單的說，儲存着類資料，即被裝載的類，其基本資訊，與一些額外資訊都在方法區中被儲存（當某類沒有被引用時，不同的JVM下，不一定實作垃圾回收，無記憶體可配置設定時候，會出現OutOfMemoryError）

  有人問基本資訊是什麼？

• 這個類型的全限定名（就是完整類名，如Java.lang.Object等）
• 這個類型的父類的全限定名（除非這個類的是Object類，沒有父類了）
• 這個類型是類類型，還是接口類型
• 這個類型的通路修飾符（如public，private等 ）

• 這個類型的所有接口的全限定名的有序清單

  額外資訊又是什麼？

• 這個類型的運作時常量池：所有的常量，與該類中所使用的所有類在方法區内的符号引用 （也就是說，所有在該類中使用的類，都會保留它的一份在方法區内的符号引用，該類容易第一時間找到需要使用的類相關資訊。）
• 字段資訊 （字段的名字，類型，修飾符）
• 方法資訊 （方法名，傳回類型，入參的數量與類型，修飾符，方法中局部變量大小，方法的位元組碼，異常表）
• 除了常量以外的所有 類（靜态）變量（所有類執行個體共享，即時沒有類執行個體也可以被通路，注意這類變量些變量隻和類有關，而非類的執行個體。他們隻作為一部分類型資訊儲存在方法區而已。隻有在被使用的過程中才會被配置設定空間）
• 一個到ClassLoader的引用 （如果是由啟動類裝載器裝載，不記載。由使用者自定義的類裝載器裝載的，保留引用）
• 一個到Class類的引用 （使得可以通過Class類可以輕易的擷取目前内的類在方法區中的資訊，與引用。如：可以用Class.forNmae（*）來得到目前的Class的對象引用）
• 堆：簡單的說，所有的執行個體化出的對象，數組都在這個區域，不過，所有線程都可以通路的時候，需要考慮線程安全問題。這個區域，不一定要連續的空間，支援動态的擴張和縮小。記憶體洩露一般就發生在這。（所有的JVM都在這實作了垃圾回收，記憶體無法支援建立對象時，會出現OutOfMemoryError）

單一線程私有： Java棧，PC寄存器，本地方法棧

• Java棧：以幀為機關保持着Java的運作狀态，一個方法為一個棧幀，調用時，入棧，結束傳回時出棧。
  • 棧幀：包括局部變量區，操作數棧，幀資料區；其中局部變量内儲存着入參，局部變量；操作數棧：執行指令時，以棧的形式作為資料的臨時儲存與操作區（建議看Blog）；幀資料區包含着一些資料來支援常量池資料的解析，正常傳回，與異常委派機制。當棧幀記憶體大小固定時，超過了大小，會發生StackOverflowError 錯誤，當棧幀為動态增長時，申請的記憶體大小不足時，會發生OutOfMemoryError錯誤
• PC寄存器：或者說是程式計數器更為恰當，隻有一個字長大小。記錄着下一條的将要被執行的指令位址，除本地方法除外。
• 本地方法棧：一般為調用C/C++方法,實作和Java棧類似。不過當進入本地方法棧時，pc寄存器的值為“undefined”。

以上是按邏輯來區分，不過按實體上區分應該是以下這樣的（這點上衆說紛纭，不要問我….）

JVM加載Class過程

我們都知道編譯好的class是一個二進制的檔案，那我們的JVM是如何加載他們的呢？就是我們上面介紹的類裝載子系統

加載一個class檔案的在這裡分為3步

1.裝載：查找相應的class檔案并裝載二進制資料。

2.連接配接：執行驗證，準備，以及解析（可選）

    驗證：確定被導入類型的正确性

    準備：為類變量配置設定記憶體，并将其初始化為預設值

    解析：把類型中的符号引用轉化為直接引用

3.初始化：把類變量初始化為正确初始值。

更加詳細點這裡

而在代碼裡完成這些的,是我們的ClassLoader類。

以下給出其他學習連結

ClassLoader雙親加載

ClassL:oader類 中文文檔

我想我寫的絕對不會比他們更好。是以恬不知恥的引用了他們的文章。

謝謝各位。本篇的很多理論來自《深入JAVA虛拟機第二版》，有興趣的朋友可以去看看。