JVM详解
Java程序的开发流程★ class helloworld【 args public static vaid main(stnng S[]) 缩写井运行je程 system. out. printIn(HelID Hello world W。rld! 编写」ava源程序,并保 保存 Helloworld源代码 后缀名java 保存后名为 所有代码必须保存为扩展名 的文伟 java 源文件名称必须和类名相同 绵译问w又丹名后 class关键字后面的即类名 cass文件 正确的文件名为 生成后名 Helloworld.java 的文 编译源代码 行A又名 javac Helloworld. java 运行结果 Hello world 运行程序予; 生成结果 ava Helloworld 1.3JaVa运行的原理 JaVa运行的原理 面面面mm ====:==:1 Ajava Bjava C java Aclass B class Cclass 通过本 地或网 络传输 Java Java编译器 Java ava c lass 虚拟机虚拟机虚拟机 文件 I A class B class C class Object class String class 程序的cass文件 Java ap的 Class文件i Java运行的原理 Jaw源程序(扩展名为java) ·JM( Java virtual a译程 Machine)-Java虚拟机 Ja字节码文件(扩展名为. class) 一个虚构出来的计算机 通过在实际的计算机上仿 JVM虛拟机 真模拟各种计算机功能来 INdene linx卜的 能直接解释 实现的。 的da ava字节码Java宇节码 码解程序 解释程序 的cPU √Java虚拟机有自己完善的硬 件架构如处理器、堆栈、 机少机机酒拒兮 寄存器等还具有相应的指 Windows Linux 令系统。 操作系统 操作系统 1.4半编译半解释 半编译半解释? √系统先将用户输入的指令翻译成一种通用的,比较规则的中间形 式的代码,保密性强,运行时则由所在机器的解释器进行解释 v java语言的开发效率高,但执行效率低。(相当于c++的 55%) Source Code Pblie ckc Hslowvarkd atva Machine cada He lu wool Interpreter Class File Load Java virtual Bylccodo Machire 平台无关性 平台无关性? 何谓平台:即一套特定的硬件冉加上运行其上的操作系统,即硬件十软件。编程 语言对不同平台的支持有所不同。(、CC++、Java Java完全不用修改任何源代码,也不用重新编译就可以直接移植到其他平台。 Jav的平台无关性给程序的部署带来了很大的灵活性,节约开发和升级成本。 怎样理解平台无关性呢?JwM( java Virtual Machine)起到了主要作用。JWM是运 行在平台之上的程序,它能够虚拟出一台目标机,所有字节码就是在虚拟出的目 标机上运行。 程序不可能在所有的平台上都可以运行:(1)因为不同平台的内存管理模式和 cPU的指令集等都有很大的差别。(2)为了让java实现平台无关性,Su公司在不 同平台上用软件模拟出虚拟目标机,虚拟出CPU指令集和内存。(3)因此虽然平 台间的差异比较大,但是虚拟山来的WM是完全样的。(4)Jv的字节码仅仅 运行在M上,不会和平台的底层直接打交道。(5)M根据平台的不同,把字节 码解释成不同的本地代码(6)JwM就像翻译,把通用的普通话翻译成不同地方特 色的方言。 但是有一个缺点:java代码必须要经过JVM解释才能运行,使得java运行的效率降 低 WORA: WHile ouce. RuII Anywhere(一次编写到处运行 内存模型 2.1JM规范 JVM specification对JM内存的描述 首先我们来了解 JvM specification中的JWM整体架构。如卜图: CLASS FILES CLASS LOADER RUNTIME DATA AREA METHOD AREA JAVA STACK NATIVE METHOD STACK HEAP PROGRAM COUNTER REGISTER NATIVE NATIVE EXECUTION ENGINE INTERFACE LIBRARIES RUNTIME DATA AREAS SHARED AMONG ALL THREADS THREAD SPECIFIC RUNTIME DATA AREAS o javabean. wordpress. com 主要包括两个子系统和两个组件: Class loader(类装载器)子系统, Execution engine(执行引擎)子系统; Runtime data area(运行时数据区域) 组件, Native interface(木地接口)组件。 Class loader子系统的作用:根据给定的全限定名类名(如 java.lang.0 bject)来装载 class文件的内容到 Runtime data area中的 method area(方法区域)。 Javed程序员可以 ex tends java.lang. Classloader类来写自 己的 Class loader。 Execution engine子系统的作用:执行 classes中的指令。任何JM specification实现(JDK)的核心是 Execution engine,换句话说:Sn的JDK 和IM的JDK好坏主要取决于他们各自实现的 Execution engine的好坏。每个 运行中的线程都有一个 Execution engine的实例 Native interface组件:与 native libraries交工,是其它编程语言交 互的接口。 Runtime data area组件:这个组件就是JMM中的内存。卜面对这个部分 进行详细介绍。 JVM Shared among all Threads Thread 1 Het Thread 2 PC Stack Per Method Basis class Instances and Arrays PC Stack Per Method basis stance variables Frame 1 Frame 2 Frame 1 Frame 2 Referen Local Variables Partial Results Local ariables Partial results INcluding Parameters) Operand Stack Method area Operand Stack Runtime constant poal Methad code Per Class basis Static variables and methods Runtime Constant pool Native method stacks Method code Per Class basis 调用 Static variables and methods 」JM乙外,作系统内仔」 Runtime data area的整体架构图 Runtime data area主要包括五个部分:Heap(堆), Method area(方法区 域), Java Stack(java的栈), Program Counter(程序计数器), Native method stack(本地方法栈)。Heap和 Method area是被所有线程的共享使用的;而 Java stack, Program counter和 Native method stack是以线程为粒度的, 每个线程独自拥有。 Heap Java程序在运行时创建的所有类实或数组都放在同一个堆中。而一个Java虚拟 实例中只存在一个堆空间,因此所有线程都将共享这个堆。每一个java程序独 占一个JⅧM实例,因而每个java程序都有它自己的堆空间,它们不会彼此十扰。 但是同一java程序的多个线程都共享着同一个堆空间,就得考虑多线程访问对 象(堆数据)的同步问题。(这里可能出现的异常java.lang. OutOfMemoryError Java heap space Method area 在Java虚拟机中,被装载的 class的信息存储在 Method area的内存中。当虚 拟机装载某个类型吋,它使用类装载器定位相应的 class文件,然后读入这个 class文件内容并把它传输到虚拟机中。紧接着虚拟机提取其中的类型信息,并 将这些信息存储到方法区。该类型中的类(静态)变量同样也存储在方法区中。 与Heap一样, Ime chod area是多线程共享的,因此要考虑多线程访问的同步问 题。比如,假设同时两个线程都企图访问一个名为Lava的类,而这个类还没有 内装载入虚拟机,那么,这时应该只有一个线程去装载它,而另一个线程则只能 等待。(这里可能出现的异常java.lang. OutofMemoryError: PermGen full) Java stack Java stack以帧为单位保存线程的运行状态。虚拟机只会直接对Java stack执行两种操作:以帧为单位的压栈或岀栈。每当线程调用一个方法的时 候,就对当前状态作为一个帧保存到 java stack中(压栈);当一个方法调用返 回时,从 java stack弹出一个帧(出栈)。栈的大小是有一定的限制,这个可能 出现 StackOverFlow问题。下面的程序可以说明这个问题。 public class TestStackOverFlow I public static void main(String[] args) i Recursive r= new Recursive o r.doit(10000) / Exception in threadmain java. lang. SlackOverflowError lass Recursive i public int doit(int t)I if(t<=1) return 1 return t doit(t-1) Program counter 每个运行中的Java程序,每一个线程都有它自己的PC寄存器,也是该线程启动刑创建 的。PC寄存器的内容总是指向下一条将被执行指令的饿&dquo;地址& rdquo;这里的 &|dquo:地址& rdquo;可以是一个本地指针,也可以是在方法区中相对应于该方法起始指 令的偏移量。 Native method stack 对于一个运行中的Java程序而言,它还能会用到一些跟本地方法相关的数据区。当某个 线程调用一个本地方法时,它就进入了一个全新的并且不冉受虚拟机限制的世界。本地 方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机的运行时数据区,不止与此,它还可以做任何 它想做的事情。比如,可以调用寄存器,或在操作系统中分配内存等。总之,木地方法 具有和JVM相同的能力和权限。(这里出现』M无法控制的内存溢出问题 2.2 Sun jvm Sun vn中对 VM Specification的实现(内存部分) JVM Specification只是抽象的说明了yVM实例按照子系统、内存区、数据类型以及指令 这几个术语来描述的,但是规范并非是要强制规定Java虚拟机实现内部的体系结构, 更多的是为了严格地定义这些实现的外部特征 Sun vm实现中: Runtime data area(VM内存)五个部分中的 Java stack, Program Counter, Native method stack三部分和规范中的描述基本一致;但对Heap和 Method Area进行了自己独特的实现。这个实现和SunM的 Garbage collector(垃圾回收)机 制有关,下面的章节进行详细描述。 垃圾分代回收算法( Generational Collecting) 基于对对象生命周期分析后得出的垃圾回收算法。把对象分为年青代、年老代、持久 代,对不同生命周期的对象使用不同的算法(上述方式中的一个)进行回收。现在的垃 圾冋收器(从』2SE1.2开始)都是使用此算法的。 cured P Euen G oung Petm 如上图所示,为Java堆中的各代分布 1. Young 年轻代) M specification中的Heap的一部份 年轻代分三个区。一个Eden区,两个 Survivor区。大部分对象在Eden区中生成。 区满时,还存活的对象将被复制到 Survivor区(两个中的 这个 Survivor 区满时,此区的存活对象将被复制到另外一个 Survivor区,当这个Surⅳor去也满了的 时候,从第一个 Survivor区复制过来的并且此时还存活的对象,将被复制&dquo;年老区 ( Tenured)& rdquo;。需要注意, Survivor的两个区是对称的,没先后关系,所以同一个区 中可能同时存在从Eden复制过来对象,和从前一个Survⅳor复制过来的对象,而复制 到年老区的只有从第一个 Survivor去过来的对象。而且, Survivor区总有一个是空的。 2. Tenured(年老代) M specification中的Heap的一部份 年老代存放从年轻代存活的对象。一般来说年老代存放的都是生命期较长的对象。 3.Perm(持久代) JVM specification中的 Method area 用于存放静态文件,如今Java类、方法等。持久代对垃圾回收没有显著影响,但是有些 应用可能动态生成或者调用一些cass,例如 Hibernate等,在这种时候需要设置一个比 较大的持久代空间来存放这些运行过程中新增的类。持久代大小通过 XX: MaxPerm size= 进行设置。 2.3 SUN JVM内存管理(优化)