[Java] Java虚拟机

JVM物理结构：

Java编译器只面向JVM，生成JVM能理解的代码或字节码文件，Java源文件经编译器，编译成字节码程序，通过JVM将每一条指令翻译成不同平台机器码，通过特定平台运行！
Java代码编译和执行的整个过程包含三个重要的机制：
- Java源码编译机制
- 类加载机制
- 类执行机制
Java源码编译机制由三个过程组成：
- 分析和输入到符号表
- 注解处理
- 语义分析和生成class文件
类加载过程中会先检查类是否已被加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查，只要某个ClassLoader已加载就视为已加载该类，保证此类只被加载一次，而加载的顺序是自顶向下的，也就是由上层来逐层尝试加载此类。
JVM是基于栈的体系结构来执行class字节码文件的，线程创建后，都会产生程序计数器（PC）和栈（Stack），程序计数器存放下一条要执行的指令在方法内的偏移量，栈中存放一个个栈帧，每个栈帧对应着每个方法的每次调用，而栈帧又是由局部变量区和操作数栈两部分组成，局部变量区用于存放方法中的局部变量和参数，操作数栈中用于存放方法执行过程中产生的中间结果。
Java虚拟机规范将JVM所管理的内存分为以下几个运行时数据区：程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、Java堆、方法区。

其中，Java堆和方法区是线程共享内存区，而虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器则是线程私有内存区。
- 程序计数器
  
  每条线程都有一个独立的程序计数器，各线程间的计数器互不影响，因此该区域是线程私有的。当程序执行一个Java方法时，该计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址，当线程在执行的是Native方法时，该计数器的值为空。另外，该内存区是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OOM情况的区域。
- Java虚拟机栈
  
  该区域是线程私有的，它的生命周期和线程相同
- 本地方法栈
  
  虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则为使用到的本地操作系统方法服务。
- Java堆
  
  Java堆是所有线程共享的一块内存区域，几乎所有的对象实例和数组都在这类分配内存，Java Heap是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候称为GC堆。
- 方法区
  
  方法区是各个线程共享的内存区域，它用于存储已经被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。方法区又被称为永久代，但这仅仅对于Sun HotSpot来说。Java虚拟机规范把方法区描述为Java堆的一个逻辑部分，另外，虚拟机规范允许该区域可以选择不实现垃圾回收，相对而言，垃圾收集行为在这个区域比较少出现，该区域的内存回收目标主要是针对废弃常量和无用类的回收。运行时常量池是方法区的一部分，Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等信息之外，还有一项就是常量池，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。运行时常量池相对于Class文件常量池的另一个重要特性就是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只能在编译器产生，也就是并非预置于Class文件中的常量池中的内容才能进入方法区的运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用较多的是String类的intern()方法。
  
  当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
- 直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是 Java 虚拟机规范中定义的内存区域，它直接从操作系统中分配，因此不受 Java 堆大小的限制，但是会受到本机总内存的大小及处理器寻址空间的限制，因此它也可能导致 OutOfMemoryError 异常出现。在 JDK1.4 中新引入了 NIO 机制，它是一种基于通道与缓冲区的新 I/O 方式，可以直接从操作系统中分配直接内存，即在堆外分配内存，这样能在一些场景中提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。

类初始化是类加载过程的最后一个阶段，到初始化阶段，才真正开始执行类中的Java程序代码，虚拟机规范严格规定了有且只有四种情况必须立即对类进行初始化：

遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic这四条字节码指定时，如果类还没有进行初始化，则需要触发其初始化，生成这四条指令最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象时、读取或设置一个类的静态字段（static）时（被static修饰又被final修饰的，已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）以及调用一个类的静态方法时；
使用java.lang.refect包的方法对类进行反射调用时，如果类还没有进行初始化，则需要触发其初始化；
当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行初始化，则需要先触发其父类的初始化；
当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类，虚拟机会先执行该主类。

虚拟机只有这四种情况才会触发类的初始化，称为对一个类进行主动引用，除此之外所有引用类的方式都不会触发其初始化，称为被动引用，下面举一些例子来说明被动引用：

通过子类引用父类中的静态字段，这时对子类的引用为被动引用，因此不会初始化子类，只会初始化父类：

class Father {
  public static int m = 33;
  static {
    System.out.println("父类被初始化");
  }
}
class Child extends Father {
  static {
    System.out.println("子类被初始化");
  }
}
public class StaticTest {
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println(Child.m);
  }
}

执行结果如下：

1
2

父类被初始化
33

对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此，通过子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。

常量在编译阶段会被存入调用它的类的常量池中，本质上没有直接引用到定义该常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化：

class Const {
  public static final String NAME = "我是常量";
  static {
    System.out.println("初始化Const类");
  }
}
public class FinalTest{  
  public static void main(String[] args){  
    System.out.println(Const.NAME);  
  }  
}

执行后输出的结果为：

我是常量

虽然程序中引用了 const 类的常量 NAME，但是在编译阶段将此常量的值“我是常量”存储到了调用它的类 FinalTest 的常量池中，对常量 Const.NAME 的引用实际上转化为了 FinalTest 类对自身常量池的引用。也就是说，实际上 FinalTest 的 Class 文件之中并没有 Const 类的符号引用入口，这两个类在编译成 Class 文件后就不存在任何联系了。

通过数组定义来引用类，不会触发类的初始化：

class Const{  
  static{  
    System.out.println("初始化Const类");  
  }  
}  
public class ArrayTest{  
  public static void main(String[] args){  
    Const[] con = new Const[5];  
  }  
}

执行后不输出任何信息，说明 Const 类并没有被初始化。

Java程序最初是仅仅通过解释器进行执行的，即对字节码逐条解释执行，这种方式的执行速度相对会比较慢，尤其是当某个方法或代码块运行的特别频繁的时候，这种方式的执行效率就显得很低，于是后来在虚拟机中引入了JIT编译器（即时编译器），当虚拟机发现某个方法或代码块执行比较频繁的时候，就会把这些代码认定为“Hot Spot Code”（热点代码），为了提高热点代码的执行效率，在运行时，虚拟机将会把这些代码编译成与本地平台相关的机器码，并进行各层次的优化，完成这项任务的正是JIT编译器。

当程序需要迅速启动和执行时，解释器可以首先发挥作用，省去编译的时间，立即执行；当程序运行后，随着时间的推移，编译器会逐渐发挥作用，把越来越多的代码编译成本地代码后，可以获得更高的执行效率。

解释执行可以节约内存，而编译执行可以提升效率。

运行过程中会被即时编译器编译的“热点代码”有两类：
- 被多次调用的方法
- 被多次调用的循环体
本文参考自深入理解 Java 虚拟机。

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