从菜鸟的角度讲解JAVA虚拟机
部分转自https://blog.csdn.net/liyang_nash/article/details/78742623
1.JAVA虚拟机的定义：
虚拟机是一种抽象化的计算机，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虚拟机有自己完善的硬体架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使得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。
2.从进程的角度解释JVM：
对命令行比较熟悉的同学，都知道其实一个命令对应一个可执行的二进制文件，当敲下这个命令并且回车后，就会创建一个进程，加载对应的可执行文件到进程的地址空间中，并且执行其中的指令。下面对比C语言和Java语言的HelloWorld程序来说明问题。
首先编写C语言版的HelloWorld程序。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void) {
printf("hello world\n");
return 0;
}
编译C语言版的HelloWorld程序：
1. gcc HelloWorld.c -o HelloWorld
运行C语言版的HelloWorld程序：
1. [email protected]:/deve/workspace/HelloWorld/src$ ./HelloWorld
2. hello world
gcc编译器编译后的文件直接就是可被操作系统识别的二进制可执行文件，当我们在命令行中敲下 ./HelloWorld这条命令的时候， 直接创建一个进程， 并且将可执行文件加载到进程的地址空间中， 执行文件中的指令。
作为对比， 我们看一下Java版HelloWord程序的编译和执行形式。
1. [email protected]:/deve/workspace/HelloJava/src$ java -classpath . HelloWorld
2. HelloWorld
从上面的过程可以看到， 我们在运行Java版的HelloWorld程序的时候， 敲入的命令并不是 ./HelloWorld.class 。 因为class文件并不是可以直接被操作系统识别的二进制可执行文件 。 我们敲入的是java这个命令。这个命令说明， 我们首先启动的是一个叫做java的程序， 这个java程序在运行起来之后就是一个JVM进程实例。
上面的命令执行流程是这样的：
java命令首先启动虚拟机进程，虚拟机进程成功启动后，读取参数“HelloWorld”，把他作为初始类加载到内存，对这个类进行初始化和动态链接（关于类的初始化和动态链接会在后面的博客中介绍），然后从这个类的main方法开始执行。也就是说我们的.class文件不是直接被系统加载后直接在cpu上执行的，而是被一个叫做虚拟机的进程托管的。首先必须虚拟机进程启动就绪，然后由虚拟机中的类加载器加载必要的class文件，包括jdk中的基础类（如String和Object等），然后由虚拟机进程解释class字节码指令，把这些字节码指令翻译成本机cpu能够识别的指令，才能在cpu上运行。
从这个层面上来看，在执行一个所谓的java程序的时候，真真正正在执行的是一个叫做Java虚拟机的进程，而不是我们写的一个个的class文件。这个叫做虚拟机的进程处理一些底层的操作，比如内存的分配和释放等等。我们编写的class文件只是虚拟机进程执行时需要的“原料”。这些“原料”在运行时被加载到虚拟机中，被虚拟机解释执行，以控制虚拟机实现我们java代码中所定义的一些相对高层的操作，比如创建一个文件等，可以将class文件中的信息看做对虚拟机的控制信息，也就是一种虚拟指令。
我们知道，Java虚拟机会进行自动内存管理。具体说来就是自动释放没有用的对象，而不需要程序员编写代码来释放分配的内存。这部分工作由垃圾收集子系统负责。
最后做一个总结：
1 虚拟机并不神秘，在操作系统的角度看来，它只是一个普通进程。
2 这个叫做虚拟机的进程比较特殊，它能够加载我们编写的class文件。如果把JVM比作一个人，那么class文件就是我们吃的食物。
3 加载class文件的是一个叫做类加载器的子系统。就好比我们的嘴巴，把食物吃到肚子里。
4 虚拟机中的执行引擎用来执行class文件中的字节码指令。就好比我们的肠胃，对吃进去的食物进行消化。
5 虚拟机在执行过程中，要分配内存创建对象。当这些对象过时无用了，必须要自动清理这些无用的对象。清理对象回收内存的任务由垃圾收集器负责。就好比人吃进去的食物，在消化之后，必须把废物排出体外，腾出空间可以在下次饿的时候吃饭并消化食物。
3.jvm结构
可以看出，JVM主要由类加载器子系统、运行时数据区（内存空间）、执行引擎以及与本地方法接口等组成。其中运行时数据区又由方法区、堆、Java栈、PC寄存器、本地方法栈组成。
从上图中还可以看出，在内存空间中方法区和堆是所有Java线程共享的，而Java栈、本地方法栈、PC寄存器则由每个线程私有，这会引出一些问题，后文会进行具体讨论。我的理解这是JVM与本地操作系统交互的接口,调用一些由C语言等编写的本地方法,一般的开发者并不用细纠.
3.1类加载器子系统（Class Loader）
1、CLASSLOADER的分类：
a.启动类加载器（BootStrap Class Loader）：负责加载rt.jar文件中所有的Java类，即Java的核心类都是由该ClassLoader加载。在Sun JDK中，这个类加载器是由C++实现的，并且在Java语言中无法获得它的引用。
b.扩展类加载器（Extension Class Loader）：负责加载一些扩展功能的jar包。
c.系统类加载器（System Class Loader）：负责加载启动参数中指定的Classpath中的jar包及目录，通常我们自己写的Java类也是由该ClassLoader加载。在Sun JDK中，系统类加载器的名字叫AppClassLoader。
d.用户自定义类加载器（User Defined Class Loader）：由用户自定义类的加载规则，可以手动控制加载过程中的步骤。
2、CLASSLOADER的工作原理
类加载分为装载、链接、初始化三步。
a.装载
通过类的全限定名和ClassLoader加载类，主要是将指定的.class文件加载至JVM。当类被加载以后，在JVM内部就以“类的全限定名+ClassLoader实例ID”来标明类。
在内存中，ClassLoader实例和类的实例都位于堆中，它们的类信息都位于方法区。
装载过程采用了一种被称为“双亲委派模型（Parent Delegation Model）”的方式，当一个ClassLoader要加载类时，它会先请求它的双亲ClassLoader（其实这里只有两个ClassLoader，所以称为父ClassLoader可能更容易理解）加载类，而它的双亲ClassLoader会继续把加载请求提交再上一级的ClassLoader，直到启动类加载器。只有其双亲ClassLoader无法加载指定的类时，它才会自己加载类。
双亲委派模型是JVM的第一道安全防线，它保证了类的安全加载，这里同时依赖了类加载器隔离的原理：不同类加载器加载的类之间是无法直接交互的，即使是同一个类，被不同的ClassLoader加载，它们也无法感知到彼此的存在。这样即使有恶意的类冒充自己在核心包（例如java.lang）下，由于它无法被启动类加载器加载，也造成不了危害。
由此也可见，如果用户自定义了类加载器，那就必须自己保障类加载过程中的安全。
b.链接
链接的任务是把二进制的类型信息合并到JVM运行时状态中去。
链接分为以下三步：
a.验证：校验.class文件的正确性，确保该文件是符合规范定义的，并且适合当前JVM使用。
b.准备：为类分配内存，同时初始化类中的静态变量赋值为默认值。
c.解析（可选）：主要是把类的常量池中的符号引用解析为直接引用，这一步可以在用到相应的引用时再解析。
c.初始化
初始化类中的静态变量，并执行类中的static代码、构造函数。
JVM规范严格定义了何时需要对类进行初始化：
a、通过new关键字、反射、clone、反序列化机制实例化对象时。
b、调用类的静态方法时。
c、使用类的静态字段或对其赋值时。
d、通过反射调用类的方法时。
e、初始化该类的子类时（初始化子类前其父类必须已经被初始化）。
f、JVM启动时被标记为启动类的类（简单理解为具有main方法的类）。
3.2Java栈（Java Stack）
它分为三部分：局部变量区、操作数栈、帧数据区。
1、局部变量区
局部变量区是以字长为单位的数组，在这里，byte、short、char类型会被转换成int类型存储，除了long和double类型占两个字长以外，其余类型都只占用一个字长。特别地，boolean类型在编译时会被转换成int或byte类型，boolean数组会被当做byte类型数组来处理。局部变量区也会包含对象的引用，包括类引用、接口引用以及数组引用。
局部变量区包含了方法参数和局部变量，此外，实例方法隐含第一个局部变量this，它指向调用该方法的对象引用。对于对象，局部变量区中永远只有指向堆的引用。
2、操作数栈
操作数栈也是以字长为单位的数组，但是正如其名，它只能进行入栈出栈的基本操作。在进行计算时，操作数被弹出栈，计算完毕后再入栈。
3、帧数据区
帧数据区的任务主要有：
a.记录指向类的常量池的指针，以便于解析。
b.帮助方法的正常返回，包括恢复调用该方法的栈帧，设置PC寄存器指向调用方法对应的下一条指令，把返回值压入调用栈帧的操作数栈中。
c.记录异常表，发生异常时将控制权交由对应异常的catch子句，如果没有找到对应的catch子句，会恢复调用方法的栈帧并重新抛出异常。
局部变量区和操作数栈的大小依照具体方法在编译时就已经确定。调用方法时会从方法区中找到对应类的类型信息，从中得到具体方法的局部变量区和操作数栈的大小，依此分配栈帧内存，压入Java栈。
3.3本地方法栈（Native Method Stack）
3.4方法区（Method Area）
a.类及其父类的全限定名（java.lang.Object没有父类）
b.类的类型（Class or Interface）
c.访问修饰符（public, abstract, final）
d.实现的接口的全限定名的列表
e.常量池
f.字段信息
g.方法信息
h.静态变量
i.ClassLoader引用
j.Class引用
可见类的所有信息都存储在方法区中。由于方法区是所有线程共享的，所以必须保证线程安全，举例来说，如果两个类同时要加载一个尚未被加载的类，那么一个类会请求它的ClassLoader去加载需要的类，另一个类只能等待而不会重复加载。
此外为了加快调用方法的速度，通常还会为每个非抽象类创建私有的方法表，方法表是一个数组，存放了实例可能被调用的实例方法的直接引用。方法表对于多态有非常重要的意义，具体可以参照《浅谈多态机制的意义及实现》一文中“多态的实现”一节。
在Sun JDK中，方法区对应了持久代（Permanent Generation），默认最小值为16MB，最大值为64MB。
3.5堆（Heap）
在堆的管理上，Sun JDK从1.2版本开始引入了分代管理的方式。主要分为新生代、旧生代。分代方式大大改善了垃圾收集的效率。
1、新生代（New Generation）
大多数情况下新对象都被分配在新生代中，新生代由Eden Space和两块相同大小的Survivor Space组成，后两者主要用于Minor GC时的对象复制（Minor GC的过程在此不详细讨论）。
JVM在Eden Space中会开辟一小块独立的TLAB（Thread Local Allocation Buffer）区域用于更高效的内存分配，我们知道在堆上分配内存需要锁定整个堆，而在TLAB上则不需要，JVM在分配对象时会尽量在TLAB上分配，以提高效率。
2、旧生代（Old Generation/Tenuring Generation）
在新生代中存活时间较久的对象将会被转入旧生代，旧生代进行垃圾收集的频率没有新生代高。
3.6执行引擎
通过类装载器装载的，被分配到JVM的运行时数据区的字节码会被执行引擎执行。执行引擎以指令为单位读取Java字节码。它就像一个CPU一样，一条一条地执行机器指令。每个字节码指令都由一个1字节的操作码和附加的操作数组成。执行引擎取得一个操作码，然后根据操作数来执行任务，完成后就继续执行下一条操作码。
不过Java字节码是用一种人类可以读懂的语言编写的，而不是用机器可以直接执行的语言。因此，执行引擎必须把字节码转换成可以直接被JVM执行的语言。字节码可以通过以下两种方式转换成合适的语言。
解释器：一条一条地读取，解释并且执行字节码指令。因为它一条一条地解释和执行指令，所以它可以很快地解释字节码，但是执行起来会比较慢。这是解释执行的语言的一个缺点。字节码这种“语言”基本来说是解释执行的。
即时(Just-In-Time)编译器：即时编译器被引入用来弥补解释器的缺点。执行引擎首先按照解释执行的方式来执行，然后在合适的时候，即时编译器把整段字节码编译成本地代码。然后，执行引擎就没有必要再去解释执行方法了，它可以直接通过本地代码去执行它。执行本地代码比一条一条进行解释执行的速度快很多。编译后的代码可以执行的很快，因为本地代码是保存在缓存里的。
不过，用JIT编译器来编译代码所花的时间要比用解释器去一条条解释执行花的时间要多。因此，如果代码只被执行一次的话，那么最好还是解释执行而不是编译后再执行。因此，内置了JIT编译器的JVM都会检查方法的执行频率，如果一个方法的执行频率超过一个特定的值的话，那么这个方法就会被编译成本地代码。
JVM的指令集是基于栈而非寄存器的，这样做的好处在于可以使指令尽可能紧凑，便于快速地在网络上传输（别忘了Java最初就是为网络设计的），同时也很容易适应通用寄存器较少的平台，并且有利于代码优化，由于Java栈和PC寄存器是线程私有的，线程之间无法互相干涉彼此的栈。每个线程拥有独立的JVM执行引擎实例。
JVM指令由单字节操作码和若干操作数组成。对于需要操作数的指令，通常是先把操作数压入操作数栈，即使是对局部变量赋值，也会先入栈再赋值。注意这里是“通常”情况，之后会讲到由于优化导致的例外。
1、解释执行
和一些动态语言类似，JVM可以解释执行字节码。Sun JDK采用了token-threading的方式，感兴趣的同学可以深入了解一下。
解释执行中有几种优化方式：
a.栈顶缓存
将位于操作数栈顶的值直接缓存在寄存器上，对于大部分只需要一个操作数的指令而言，就无需再入栈，可以直接在寄存器上进行计算，结果压入操作数站。这样便减少了寄存器和内存的交换开销。
b.部分栈帧共享
被调用方法可将调用方法栈帧中的操作数栈作为自己的局部变量区，这样在获取方法参数时减少了复制参数的开销。
c.执行机器指令
在一些特殊情况下，JVM会执行机器指令以提高速度。
2、编译执行
为了提升执行速度，Sun JDK提供了将字节码编译为机器指令的支持，主要利用了JIT（Just-In-Time）编译器在运行时进行编译，它会在第一次执行时编译字节码为机器码并缓存，之后就可以重复利用。Oracle JRockit采用的是完全的编译执行。
3、自适应优化执行
自适应优化执行的思想是程序中10%~20%的代码占据了80%~90%的执行时间，所以通过将那少部分代码编译为优化过的机器码就可以大大提升执行效率。自适应优化的典型代表是Sun的Hotspot VM，正如其名，JVM会监测代码的执行情况，当判断特定方法是瓶颈或热点时，将会启动一个后台线程，把该方法的字节码编译为极度优化的、静态链接的C++代码。当方法不再是热区时，则会取消编译过的代码，重新进行解释执行。
自适应优化不仅通过利用小部分的编译时间获得大部分的效率提升，而且由于在执行过程中时刻监测，对内联代码等优化也起到了很大的作用。由于面向对象的多态性，一个方法可能对应了很多种不同实现，自适应优化就可以通过监测只内联那些用到的代码，大大减少了内联函数的大小。
Sun JDK在编译上采用了两种模式：Client和Server模式。前者较为轻量级，占用内存较少。后者的优化程序更高，占用内存更多。
在Server模式中会进行对象的逃逸分析，即方法中的对象是否会在方法外使用，如果被其它方法使用了，则该对象是逃逸的。对于非逃逸对象，JVM会在栈上直接分配对象（所以对象不一定是在堆上分配的），线程获取对象会更加快速，同时当方法返回时，由于栈帧被抛弃，也有利于对象的垃圾收集。Server模式还会通过分析去除一些不必要的同步，感兴趣的同学可以研究一下Sun JDK 6引入的Biased Locking机制。
此外，执行引擎也必须保证线程安全性，因而JMM（Java Memory Model）也是由执行引擎确保的。
3.7 程序计数器
4.jvm的生命周期
Java虚拟机的生命周期 一个运行中的Java虚拟机有着一个清晰的任务：执行Java程序。程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止。你在同一台机器上运行三个程序，就会有三个运行中的Java虚拟机。 Java虚拟机总是开始于一个main()方法，这个方法必须是公有、返回void、直接受一个字符串数组。在程序执行时，你必须给Java虚拟机指明这个包含main()方法的类名。 Main()方法是程序的起点，他被执行的线程初始化为程序的初始线程。程序中其他的线程都由他来启动。Java中的线程分为两种：守护线程（daemon）和普通线程（non-daemon）。守护线程是Java虚拟机自己使用的线程，比如负责垃圾收集的线程就是一个守护线程。当然，你也可以把自己的程序设置为守护线程。包含Main()方法的初始线程不是守护线程。只要Java虚拟机中还有普通的线程在执行，Java虚拟机就不会停止。如果有足够的权限，你可以调用exit()方法终止程序。