JVM 是一種抽象的計算機，基于堆棧架構，它有自己的指令集和內存管理，是 Java 跨平臺的依據，JVM解釋執行字節碼，或將字節碼編譯成本地代碼執行。Java 虛擬機體系結構如下：

Class File

Class File 是平臺無關的二進制文件，包含著能被JVM執行的字節碼，其中多字節采用大端序，字符使用一種改進的UTF-8編碼。Class文件精確的描述了一個類或接口的信息，其中包括：

• 常量池：數值和字符串字面常量，元數據如類名、方法名稱、參數，以及各種符號引用
• 方法的字節碼指令，參數個數，局部變量，最大操作數棧深度，異常等信息

Class Loader

類加載器，JVM在類首次使用時動態的加載、鏈接和初始化。JVM默認的加載模型是雙親委派模型，類加載器之間存在父子關系的層次結構，內部使用組合實現。此外還有其他的加載方式，比如Servlet加載，它先嘗試自己加載，不成功再委派上層加載器，類隔離；OSGI加載器之間是一種網狀的依賴關系，沒有上下層的區分，比較靈活。

加載

加載就是將Class文件表示的類或接口，在JVM方法區中創建一個與之對應的java.lang.Class對象，像Class.forName()、ClassLoader.loadClass()、反射都能觸發類加載。當觸發一個類加載時，詳細的過程如下：

• 檢查類是否已經被加載
• 將加載請求委派給上層類加載器
• 自己嘗試搜索類并加載

當ClassLoader在classpath中未找到類文件，會拋出ClassNotFoundException；當類A引用類B，類A已經成功加載，但是加載B時未找到類文件，會拋出NoClassDefFoundError。JVM有以下幾種類加載器：

• Bootstrap ClassLoader，啟動類加載器，加載 <java_home>\jre\lib 中 Java 核心類庫
• Extension ClassLoader，擴展類加載器，加載 <java_home>\jre\lib\ext 中的類
• System ClassLoader，系統類加載器，也叫應用程序類加載器（Application class loader），加載 CLASSPATH 環境變量中的類

鏈接

• 驗證：確保class文件的正確性。
• 準備：為類靜態字段分配內存并初始化為默認值，不會執行任何字節碼指令。
• 解析：將符號引用轉為方法區（運行時常量池）直接引用

初始化

執行類初始化方法，即賦值靜態字段，執行靜態塊，順序按照其定義的先后。父類的靜態域會先于子類靜態域初始化。

至此，一個類或接口被加載到了內存中，JVM會保證整個過程是線程安全的。需要注意的是整個過程沒有涉及到任何實例對象。

運行時數據區

1. Method Area：線程共享，存儲運行時常量池、類字段和方法信息、靜態變量和方法的字節碼，是堆的邏輯組成部分，這部分的垃圾回收是可選的。值得一提的是Hotspot JVM自JDK8之后，調整了這部分內存的內容，class meta-data的分配使用本地內存，interned String和類靜態變量移動到了Java堆。

2. 運行時常量池：對于JVM來說具有核心作用，基本上涉及到方法或字段，JVM就會在運行時常量池中搜索其具體的內存地址。

3. Heap：線程共享，存儲實例對象，實例變量以及數組，是垃圾回收的主要區域。

4. JVM Stack：線程私有，用于存儲棧幀，當方法被調用時會創建一個棧幀入棧，棧幀由以下幾部分組成：

• 局部變量表：從0開始存儲this、方法參數、局部變量。
• 操作數棧：方法的工作區，在操作數棧和局部變量之間交換數據，存儲中間結果，操作數棧深度在編譯時就能確定。
• 幀數據：方法返回值，異常分派，以及當前方法所在類運行時常量池的引用。

5. PC Register：線程私有，保存當前指令地址，執行后指向下一條指令地址。

6. Native Method Stack：線程私有，存儲本地方法信息，C或C++棧。

執行引擎

讀取、翻譯、執行字節碼。JVM基于棧架構，這個棧就是操作數棧，字節碼指令就是通過它進行各種運算。此外還有基于寄存器的虛擬機。

• Interpreter，翻譯：解釋字節碼比較快，執行慢，缺點是每次方法調用都要重新翻譯解釋一遍。
• JIT Compiler，即時編譯：找出程序中頻繁調用的熱點方法，將字節碼編譯成本地代碼，提高性能。
• Garbage Collector，垃圾收集器：回收無效對象，判斷對象是否可回收，可采用不同的垃圾回收算法。

本地方法接口和庫

JNI，調用本地方法，c/c++庫；執行引擎所需的本地方法庫。

小結

主流JVM的實現有Oracle的Hotspot JVM、JRockit以及IBM的JVM。說到JVM調優，默認指的就是Hotspot VM，足見其流行程度。如今搞Java不去了解JVM就顯得有點low了-v-。

要想寫出高質量代碼，不僅要了解JVM，像調優，問題排查等都需要完備的計算機基礎知識，其實無論用什么語言開發，都是一個構建和完善自身計算機知識體系的過程。

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