Java高手的30k之路|面试宝典|精通JVM(二)
JVM基本结构
- 类加载子系统:负责将.class文件加载到内存中,并进行验证、准备、解析和初始化。
- 运行时数据区:包括堆(Heap)、方法区(Method Area)、Java栈(Java Stack)、本地方法栈(Native Method Stack)和程序计数器(Program Counter Register)。
- 执行引擎:包括解释器(Interpreter)、即时编译器(JIT Compiler)和垃圾收集器(Garbage Collector)。
- 本地接口:JNI(Java Native Interface)和本地库接口。
上图展示了JVM的基本结构,各组件的布局和相对位置如下:
- Class Loader Subsystem(类加载子系统):负责将字节码文件加载到内存中。
- Execution Engine(执行引擎):包括解释器、即时编译器和垃圾收集器,负责执行字节码。
- Heap(堆):用于存储对象实例和数组,由垃圾收集器管理。
- Method Area(方法区):存储已加载的类信息、常量池、静态变量和JIT编译后的代码。
- Java Stack(Java栈):每个线程都有自己的Java栈,用于存储局部变量、操作数栈、帧数据等。
- Native Method Stack(本地方法栈):用于本地方法的执行。
- Program Counter Register(程序计数器):记录当前线程所执行的字节码的地址。
- JNI(本地接口):Java Native Interface,用于Java与本地代码的交互。
执行引擎
解释器和即时编译器(JIT Compiler)是JVM中执行引擎的重要组成部分,它们的主要职能如下:
解释器(Interpreter)
解释器的主要职能是逐行解释字节码并执行。具体来说:
-
逐行解释执行:解释器将Java字节码逐行解释为机器指令并执行。这种方式的优点是启动快,能够快速响应并执行代码,尤其是对小型或简单程序而言。
-
执行慢:由于解释器需要逐行解释字节码,每次执行都要进行解释,因而执行速度较慢。对于频繁执行的代码段,这种开销会变得很明显。
-
主要用途:解释器在程序启动阶段发挥重要作用,使程序能迅速启动并开始执行。在此过程中,它还可以收集程序的运行数据,帮助JIT编译器进行优化。
即时编译器(JIT Compiler)
JIT编译器的主要职能是将热点代码(经常执行的代码)编译成本地机器码,从而提高执行效率。具体来说:
-
热点代码编译:JIT编译器通过监控程序的运行,识别出频繁执行的代码段(热点代码),并将这些代码编译成机器码,以便直接在CPU上执行。这样可以显著提高执行速度。
-
优化代码:JIT编译器在编译过程中可以进行多种优化,如方法内联(将频繁调用的小方法直接嵌入到调用点)、逃逸分析(确定对象是否可以分配在栈上而不是堆上)、循环展开和消除冗余代码等。通过这些优化,编译后的机器码性能更高。
-
混合模式执行:JVM采用解释器和JIT编译器相结合的混合模式。程序启动时,解释器迅速执行代码并收集运行数据。随着程序的执行,JIT编译器逐步将热点代码编译为高效的机器码,以提高整体执行性能。
-
编译时间和性能权衡:虽然JIT编译会引入一定的编译时间开销,但这个开销通常被编译后执行的性能提升所弥补。JIT编译器在运行时做出的优化决策,使得程序能在不同的运行环境中表现出更好的性能。
本地方法栈(Native Method Stack)是JVM中的一个运行时数据区,用于支持本地方法的执行。本地方法通常是使用本地编程语言(如C、C++)编写的,用来实现Java中无法直接实现的底层操作或者与操作系统交互。具体来说,本地方法栈存放以下内容:
本地方法栈
本地方法栈存储与本地方法调用相关的信息,包括方法的参数、局部变量和返回值等。它类似于Java栈,但专门用于本地方法的执行。
1. 本地方法接口(JNI)的数据
JNI(Java Native Interface)是Java与本地语言交互的接口。本地方法栈包含JNI所需的数据结构,用于管理和执行本地方法调用。这些数据结构包括:
- JNI环境指针:用于访问JNI环境和调用JNI函数。
- JNI局部引用:本地方法中创建的Java对象引用,它们的生命周期在方法执行期间。
3. 操作系统调用栈
当本地方法调用涉及操作系统层面的功能时,本地方法栈也会存储相应的调用栈信息。例如,调用系统API、进行文件I/O操作或网络操作时,操作系统的调用栈信息也会被存放在本地方法栈中。
4. 原生库的信息
本地方法栈可能包含加载的原生库的相关信息。通过JNI加载的本地库(如.dll
或.so
文件)的加载地址和加载状态信息都可能存放在本地方法栈中。
示例
以下是一个简单的示例,展示了Java代码如何调用本地方法:
public class NativeExample {// 声明本地方法public native void printHello();static {// 加载本地库System.loadLibrary("NativeExample");}public static void main(String[] args) {new NativeExample().printHello();}
}
对应的C代码实现如下:
#include <jni.h>
#include <stdio.h>
#include "NativeExample.h"JNIEXPORT void JNICALL Java_NativeExample_printHello(JNIEnv *env, jobject obj) {printf("Hello from native code!\n");
}
在上述示例中,printHello
方法的调用涉及以下步骤:
- Java代码通过JNI调用本地方法。
- JVM将调用信息(参数、局部变量等)推入本地方法栈。
- 本地方法栈中的JNI环境指针和局部引用用于管理和执行本地方法。
- 本地方法执行并可能调用操作系统API,操作系统调用栈信息也存储在本地方法栈中。
类加载器
在Java高级开发中,深入理解类加载器(ClassLoader)是非常重要的。类加载器负责将类文件加载到JVM中,并按照特定的机制进行管理。以下是对启动类加载器、扩展类加载器和应用类加载器的详细介绍。
1. 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)
- 作用:负责加载Java核心类库中的类,如
java.lang.*
、java.util.*
等。 - 实现:启动类加载器是由本地代码实现的(通常是C/C++),并且它是JVM的一部分。
- 类路径:从
<JAVA_HOME>/lib
目录加载类,如rt.jar
、charsets.jar
等。 - 特点:
- 启动类加载器是没有父类加载器的根类加载器。
- 它不是由Java语言实现的,因此在Java程序中无法直接获取启动类加载器的引用。
- 加载系统级的、与平台相关的Java类。
2. 扩展类加载器(Extension ClassLoader)
- 作用:负责加载Java扩展库中的类。
- 实现:扩展类加载器由
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
类实现。 - 类路径:从
<JAVA_HOME>/lib/ext
目录加载类或者从由系统属性java.ext.dirs
指定的目录加载类。 - 特点:
- 扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。
- 它加载的是位于扩展目录中的库,这些库通常提供额外的功能或服务。
3. 应用类加载器(Application ClassLoader)
- 作用:负责加载应用程序类路径(classpath)下的类。
- 实现:应用类加载器由
sun.misc.Launcher$AppClassLoader
类实现。 - 类路径:从系统属性
java.class.path
指定的目录或JAR文件中加载类,即通常的CLASSPATH
环境变量。 - 特点:
- 应用类加载器的父类加载器是扩展类加载器。
- 它加载应用程序自定义的类和库,是开发者最常接触到的类加载器。
- 可以通过
ClassLoader.getSystemClassLoader()
方法获取应用类加载器的实例。
双亲委派模型
Java的类加载机制采用了双亲委派模型。此模型的核心思想是:类加载器在加载一个类时,首先将请求委派给父类加载器,只有当父类加载器无法完成加载任务时,才尝试自己加载。
双亲委派模型的工作流程如下:
- 当一个类加载器收到类加载请求时,它不会自己先去加载,而是将该请求委派给父类加载器。
- 父类加载器接着将该请求委派给它的父类加载器,依此递归下去,直到请求被委派到启动类加载器。
- 启动类加载器尝试加载,如果成功则返回加载结果;如果失败(如类不存在),则将控制权交回给子类加载器。
- 子类加载器接到失败通知后,自己尝试加载该类。
优点:
- 避免重复加载:确保Java核心类库不会被重复加载,确保全局唯一。
- 安全性:防止核心类库被自定义类覆盖。
自定义类加载器
有时我们需要自定义类加载器以满足特定需求,如加载网络上的类、从数据库加载类等。自定义类加载器可以通过继承ClassLoader
类实现,并重写findClass
方法。例如:
public class CustomClassLoader extends ClassLoader {@Overrideprotected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {byte[] classData = loadClassData(name); // 读取类文件的字节码if (classData == null) {throw new ClassNotFoundException();}return defineClass(name, classData, 0, classData.length);}private byte[] loadClassData(String name) {// 自定义类加载逻辑,例如从网络或数据库加载类字节码return null;}
}
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