深入理解java虚拟机

⑴ 什么是java虚拟机

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。

这种解释应该算是正确的，但是只描述了虚拟机的外部行为和功能，并没有针对内部原理做出说明。一般情况下我们不需要知道虚拟机的运行原理，只要专注写java代码就可以了，这也正是虚拟机之所以存在的原因--屏蔽底层操作系统平台的不同并且减少基于原生语言开发的复杂性，使java这门语言能够跨各种平台（只要虚拟机厂商在特定平台上实现了虚拟机），并且简单易用。这些都是虚拟机的外部特性，但是从这些信息来解释虚拟机，未免太笼统了，无法让我们知道内部原理。

从进程的角度解释JVM

让我们尝试从操作系统的层面来理解虚拟机。我们知道，虚拟机是运行在操作系统之中的，那么什么东西才能在操作系统中运行呢？当然是进程，因为进程是操作系统中的执行单位。可以这样理解，当它在运行的时候，它就是一个操作系统中的进程实例，当它没有在运行时（作为可执行文件存放于文件系统中），可以把它叫做程序。

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。

总结

写到这里，基本上关于我对java虚拟机的理解就写完了。这篇文章的主题虽然是深入理解Java虚拟机，但是你可能感觉一点也不“深入”，也只是泛泛而谈。我也有这样的感觉。限于自己水平有限，也只能这样了，要是想深入理解java虚拟机，强烈建议读一下三本书：

《深入Java虚拟机》

《深入理解Java虚拟机JVM高级特性与最佳实践》

《Java虚拟机规范》

其实我也读过这几本书，但是它们对虚拟机的解释也是基于一个外部模型，而没有深入剖析虚拟机内部的实现原理。虚拟机是一个大而复杂的东西，实现虚拟机的人都是大牛级别的，如果不是参与过虚拟机的实现，应该很少有人能把它参透。本专栏后面的一些文章也参考了这三本书， 虽然讲解Java语法的书不计其数， 但是深入讲解虚拟机的书， 目前为止我就见过这三本，并且网上的资料也不是很多。

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。

(1)深入理解java虚拟机扩展阅读：

关于JAVA虚拟机的参数说明如下：

1、运行class文件

执行带main方法的class文件，Java虚拟机[3]命令参数行为：

java <CLASS文件名>

注意：CLASS文件名不要带文件后缀.class

例如：

java Test

如果执行的class文件是带包的，即在类文件中使用了：

package <；包名>

那应该在包的基路径下执行，Java虚拟机命令行参数：

java <；包名>.CLASS文件名

例如：

PackageTest.java中，其包名为：com.ee2ee.test，对应的语句为：

package com.ee2ee.test;

PackageTest.java及编译后的class文件PackageTest.class的存放目录如下：

classes

|__com

|__ee2ee

|__test

|__PackageTest.java

|__PackageTest.class

要运行PackageTest.class，应在classes目录下执行：

java com.ee2ee.test.PackageTest

2、运行jar文件中的class

原理和运行class文件一样，只需加上参数-cp <jar文件名>；即可。

例如：执行test.jar中的类com.ee2ee.test.PackageTest，命令行如下：

java -cp test.jar com.ee2ee.test.PackageTest

3、显示JDK版本信息

当一台机器上有多个jdk版本时，需要知道当前使用的是那个版本的jdk，使用参数-version即可知道其版本，命令行为：

java -version

4、增加虚拟机可以使用的最大内存

Java虚拟机可使用的最大内存是有限制的，缺省值通常为64MB或128MB。

如果一个应用程序为了提高性能而把数据加载内存中而占用较大的内存，比如超过了默认的最大值128MB，需要加大java虚拟机可使用的最大内存，否则会出现Out of Memory的异常。启动java时，需要使用如下两个参数：

-Xms java虚拟机初始化时使用的内存大小

-Xmx java虚拟机可以使用的最大内存

以上两个命令行参数中设置的size，可以带单位，例如：256m表示256MB

举例说明：

java -Xms128m -Xmx256m ...

表示Java虚拟机初始化时使用的内存为128MB，可使用的最大内存为256MB。

对于tomcat，可以修改其脚本catalina. sh（Unix平台）或catalina.bat（Windows平台），设置变量JAVA_OPTS即可，例如：

JAVA_OPTS='-Xms128m -Xmx256m'

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资源链接：

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书名：深入理解Java虚拟机（第2版）

作者：周志明

豆瓣评分：9.0

出版社：机械工业出版社

出版年份：2013-9-1

页数：433

内容简介：

《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践(第2版)》内容简介：第1版两年内印刷近10次，4家网上书店的评论近4?000条，98%以上的评论全部为5星级的好评，是整个Java图书领域公认的经典着作和超级畅销书，繁体版在台湾也十分受欢迎。第2版在第1版的基础上做了很大的改进：根据最新的JDK 1.7对全书内容进行了全面的升级和补充；增加了大量处理各种常见JVM问题的技巧和最佳实践；增加了若干与生产环境相结合的实战案例；对第1版中的错误和不足之处的修正；等等。第2版不仅技术更新、内容更丰富，而且实战性更强。

《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践(第2版)》共分为五大部分，围绕内存管理、执行子系统、程序编译与优化、高效并发等核心主题对JVM进行了全面而深入的分析，深刻揭示了JVM的工作原理。

第一部分从宏观的角度介绍了整个Java技术体系、Java和JVM的发展历程、模块化，以及JDK的编译，这对理解书中后面内容有重要帮助。

第二部分讲解了JVM的自动内存管理，包括虚拟机内存区域的划分原理以及各种内存溢出异常产生的原因；常见的垃圾收集算法以及垃圾收集器的特点和工作原理；常见虚拟机监控与故障处理工具的原理和使用方法。

第三部分分析了虚拟机的执行子系统，包括类文件结构、虚拟机类加载机制、虚拟机字节码执行引擎。

第四部分讲解了程序的编译与代码的优化，阐述了泛型、自动装箱拆箱、条件编译等语法糖的原理；讲解了虚拟机的热点探测方法、HotSpot的即时编译器、编译触发条件，以及如何从虚拟机外部观察和分析JIT编译的数据和结果；

第五部分探讨了Java实现高效并发的原理，包括JVM内存模型的结构和操作；原子性、可见性和有序性在Java内存模型中的体现；先行发生原则的规则和使用；线程在Java语言中的实现原理；虚拟机实现高效并发所做的一系列锁优化措施。

作者简介：

周志明，资深Java技术专家，对JavaEE企业级应用开发、OSGi、Java虚拟机和工作流等都有深入的研究，并在大量的实践中积累了丰富的经验。尤其精通Java虚拟机，撰写了大量与JVM相关的经典文章，被各大技术社区争相转载，是ITeye等技术社区公认的Java虚拟机方面的领袖人物之一。除本书外，还着有经典着作《深入理解OSGi：Equinox原理、应用与最佳实践》，广获读者好评。现任远光软件股份有限公司开发部总经理兼架构师，先后参与过国家电网、南方电网等多个国家级大型ERP项目的平台架构工作，对软件系统架构也有深刻的认识和体会。

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深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践-周志明

⑷ 深入探索Java工作原理：JVM，内存回收及其他

Java语言引入了Java虚拟机 具有跨平台运行的功能 能够很好地适应各种Web应用 同时 为了提高Java语言的性能和健壮性 还引入了如垃圾回收机制等新功能 通过这些改进让Java具有其独特的工作原理

．Java虚拟机

Java虚拟机（Java Virtual Machine JVM）是软件模拟的计算机 它可以在任何处理器上（无论是在计算机中还是在其他电子设备中）安全兼容地执行保存在 class文件中的字节码 Java虚拟机的 机器码 保存在 class文件中 有时也可以称之为字节码文件

升大团Java程序的跨平台特性主要是指字节码文件可以在任何具有Java虚拟机的计算机或者电子设备上运行 Java虚拟机中的Java解释器负责将字节码文件解释成为特定的机器码进行运行 因此在运行时 Java源程序需要通过编译器编译成为 class文件

Java虚拟机的建立需要针对不同的软硬件平台来实现 既要考虑处理器的型号 也要考虑操作系统的种类 由此在SPARC结构 X 结构 MIPS和PPC等嵌入式处理芯片上 在UNIX Linux Windows和部分实时操作系统上都可实现Java虚拟机

．无用内存自动回收机制

在程序的执行过程中 部分内存在使用过后就处于废弃状态 如果不及时进行回收 很有可能会导致内存泄漏 进而引发系统崩溃 在C++语言中是由程序员进行内存回收的 程序员需要在编写程序时把不再使用的对象内存释放掉 这种人为管理内存释放的方法往往由于程序员的疏忽而致使内存无法回收 同时也增加了程序员的工作量 而在Java运行环境中 始终存在着一个系统级的线程 专门跟踪内存的使用情况 定期检测出不再使用的内存 并自动进行回收 避免了内存的泄露 也减轻了程序员的工作量

．代码安全性检查机制

安全和方便总是相对矛盾的 Java编程语吵橘言的出现使得客户端计算机可以方便地从网络上上传或下载Java程序到本地计算机上运行 但是如何保证该Java程序不携带病毒或者没有其他危险目的呢？为了确保Java程序执行的安全性 Java语言通过Applet程序来控制非法程序的安全性 也就是有了它才确保Java语言的生存

Java字节码的执行需要经过以下 个步骤

（ ）由类装载器（class loader）负责把类文件（ class文件）加载到Java虚拟机中 在此仿悉过程需要检验该类文件是否符合类文件规范

（ ）字节码校验器（bytecode verifier）检查该类文件的代码中是否存在着某些非法操作 例如Applet程序中写本地计算机文件系统的操作

（ ）如果字节码校验器检验通过 由Java解释器负责把该类文件解释成为机器码进行执行

注意

Java虚拟机采用 沙箱 运行模式 即把Java程序的代码和数据都限制在一定内存空间里执行 不允许程序访问该内存空间以外的内存 如果是Applet程序 还不允许访问客户端机器的文件系统

Java的运行环境

无论哪种语言都需要有它特定的运行环境 也就是平台 Java语言同样不例外 但是如何理解Java程序与硬件环境无关呢？

几乎所有的语言都需要通过编译或者解释才可以被计算机执行 但是Java有一点不同 它同时需要这两个过程 其实 也正是因为这个原因才使Java这种语言具有了平台无关性 当完成一个Java源程序后 首先 通过Java翻译程序将它编译成一种叫做字节码的中间代码 然后再由Java平台的解释器将它转换成为机器语言来执行 这一平台的核心就是JVM

Java的编译过程与其他的语言不同 像C++这样的语言 在编译时它是与计算机的硬件平台信息密不可分的 编译程序通过查表将所有指令的操作数和操作码等转换成内存的偏移量 即程序运行时的内存分配方式 目的是保证程序正常运行 而Java却是将指令转换成为一种 class的文件 这种文件不包含硬件的信息 需要执行时只要经过安装有JVM的机器进行解释 创建内存分配后再通过查表来确定一条指令所在的地址 这样就有效地保证了Java的可移植性和安全性

Java平台具有这样的特性和它的结构有关 通常一个程序运行的平台是一个硬件或者软件运行的环境 目前比较流行的是Windows XP Linux Solaris和MacOS Java的平台不太一样 它由两个部分组成 即JVM和应用程序设计接口

．JVM

JVM是Java平台的核心 为了让编译产生的字节码能更好地解释与执行 因此把JVM分成了 个部分 JVM解释器 指令系统 寄存器 栈 存储区和碎片回收区

◆JVM解释器 即这个虚拟机处理字段码的CPU

◆JVM指令系统 该系统与计算机很相似 一条指令由操作码和操作数两部分组成 操作码为 位二进制数 主要是为了说明一条指令的功能 操作数可以根据需要而定 JVM有多达 种不同的操作指令

◆寄存器 JVM有自己的虚拟寄存器 这样就可以快速地与JVM的解释器进行数据交换 为了功能的需要 JVM设置了 个常用的 位寄存器 pc（程序计数器） optop（操作数栈顶指针） frame（当前执行环境指针）和vars（指向当前执行环境中第一个局部变量的指针）

◆JVM栈 指令执行时数据和信息存储的场所和控制中心 它提供给JVM解释器运算所需要的信息

◆存储区 JVM存储区用于存储编译过后的字节码等信息

◆碎片回收区 JVM碎片回收是指将使用过的Java类的具体实例从内存进行回收 这就使得开发人员免去了自己编程控制内存的麻烦和危险 随着JVM的不断升级 其碎片回收的技术和算法也更加合理 JVM 版后产生了一种叫分代收集技术 简单来说就是利用对象在程序中生存的时间划分成代 以此为标准进行碎片回收

．Java应用程序设计接口

Java Application Programming Interface简称Java API 其中文名为Java应用程序设计接口 它是一个软件集合 其中有许多开发时所需要的控件 可以用它来辅助开发