深入理解JVM虚拟机开篇：JVM介绍与知识脉络梳理

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转自：https://mp.weixin.qq.com/s/EjVfk1iOuQUjLfPxt_DJ7Q

是大名鼎鼎的Java 虚拟机，据说这个星球上每天有900多万程序员和我打交道，这真是一个惊人的数字。这900多万人中不少人对我的技术内幕非常感兴趣，有事儿没事儿都要把我“大卸八块”，深入了解一下。甚至还有人从我的出生地–源代码–开始看起，弄得人家连一点隐私都没有了。

当然也有很多人对我的运行机理爱理不理，理由很简单： Java虚拟机相关的事情只有在面试时才会问道，背诵一下那些垃圾回收算法，应付过去就可以了！

真的是这样吗？面试官为什么喜欢问JVM原理？难道他们没什么可问的了？或者是只是为了展示他们的卓尔不群？高人一等？压你一头？

我想都不是，请注意一下我的名字： Java虚拟机，我是一个虚拟机啊！

虽然不是像VMWare， VirtualBox那样可以完全虚拟出一个包括内存，硬盘，CPU的硬件计算机出来，我至少也是个Soft CPU啊，有自己的指令集，有自己独有的可执行文件格式，有自己独特的基于栈而不是寄存器的执行方式，还有那久经考验的垃圾回收机制……

作为一个口口声声说热爱编程，立志有写出伟大软件来改变世界的程序员，少年，难道你竟然对这么有趣的东西视而不见？

对软件技术的好奇心是你最终成为伟大程序员的第一驱动力，如果你对技术不愿意深究，不愿意了解背后的原理，如果你不愿意像一个调皮捣蛋的熊孩子那样把一个玩具变成零件，然后再组装起来（嗯，实际上永远都组装不起来了），我真的怀疑你在这个行业能呆多久，走多远。

我刚才提到了有趣，那真的有用吗？

表面上看是没有用处的，至少短期看来是没有用处的，你写程序，运行程序，然后吃饭，睡觉。

管你什么基于栈的虚拟机，什么方法区，堆，垃圾回收，生活很美好，世界也很大，我想去看看，不要用这些烦心事来烦我。

如果你想一直生活在软件开发的表层，那肯定是没有问题的，如果你想像Neo那样，把这个世界看个清清楚楚，明明白白，真真切切，就需要修炼一下内力，做为Java 程序员，理解Java虚拟机就是那个扎马步的基本功。

举个例子，理解Class 文件格式，就能理解ASM是怎么在运行时“艰难的”动态生成字节码的，然后就会知道CGLib是怎么改善它，让它容易使用的。而CGLib可是Spring AOP赖以生存的一大基础啊。这一路走来，是不是对AOP的理解更加透彻了？

你脑海中甚至能想象出来字节码怎么被动态的创建，被Classloader 加载，形成新的Class, 然后对你的业务类进行拦截的过程。

看透世界的感觉不要太爽，如果你非要说我会用Spring 的AOP就行了，那我也没办法，人各有志嘛。

扩展一下，现在我的家中上入住了不少动态语言， Jython, JRuby , Clojure , Scala 等等，他们可都需要动态的生成字节码来运行啊（码农翻身备注： Scala 也可以直接编译成class 文件），你看看理解了Class 文件格式得有多大的好处。

还有啊，理解了一些重要的字节码指令以后，你就会知道所谓的面向对象，尤其是你写的那些个漂亮的OO代码，在我这里已经“退化”成函数调用了，不知道你会不会沮丧，但是没有办法，咱们计算机的本质就是这样，顺序，循环，分支，函数调用。作为补偿，我会让你了解多态的秘密，这可是很多面向对象语言的基础。

说到函数调用，你写的Java程序在运行时会形成的栈帧，这可真是一个超级重要的概念，不仅在我这里有，物理CPU和内存在运行本地代码的时候也有，虽然我和他们的结构不同，但都是为了完成一个目的：表达一个函数在运行时的结构。

了解了这个家伙，你就知道函数在机器级是怎么调用的，参数是怎么传递的，递归是怎么回事，尾递归是怎么回事（我竟然不支持！）。也许你会跑去看看汇编，去看看缓冲区溢出攻击，各种知识点开始连接，形成一张大网，这种感觉是极爽的。

这样的例子我还可以举出很多，但是估计很多人已经不耐烦了，就此打住。

你们人类说计算机是门科学，但是科学的成分在哪里呢？在我看来更像一门工程或者技术，核心的基础概念真的不多，花点功夫把他们掌握了，受益终生。

前些天我偷偷地阅读了你们的小说《天龙八部》，里边的扫地僧可真是厉害，轻轻松松就把慕容博和萧远山两位绝顶高手制得服服帖帖，老老实实，这说明的什么问题？内功的修炼真是很重要啊。

jvm.png

前言

 JVM（Java Virtual Machine）Java 虚拟机是整个 java 平台的基石，是 java 系统实现硬件无关与操作系统无关的关键部分，是保障用户机器免于恶意代码损害的屏障。Java开发人员不需要了解JVM是如何工作的，**但是，**了解 JVM 有助于我们更好的开（通）发（过） java（公司） 程（面）序（试）。

写这篇文章的目的：

总结所学的 JVM 知识
帮助想了解 JVM 的朋友，知无不言，言无不尽

本篇文章将会介绍一下内容：

什么是 JVM

要想说明白什么 JVM 就不得不提另外两个概念，JRE 和 JDK，初学者总是把这几个概念搞混

java-tutorial.png

Jvm，Jre，Jdk 都是 java 语言的支柱，他们分工协作。但不同的是 Jdk 和 Jre 是真实存在的，而 Jvm 是一个抽象的概念，并不真实存在。

JDK
JDK(Java Development Kit) 是 Java 语言的软件开发工具包（SDK）。JDK 物理存在，是 programming tools、JRE 和 JVM 的一个集合

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JRE
JRE（Java Runtime Environment）Java 运行时环境，JRE 物理存在，主要由Java API 和 JVM 组成，提供了用于执行 java 应用程序最低要求的环境。

jre.png

JVM
JVM(Java Virtual Machine) 是一种软件实现，执行像物理机程序的机器（即电脑）。
本来，Java被设计基于从物理机器分离实现WORA（写一次，随处运行）的虚拟机上运行，虽然这个目标已经几乎被遗忘。
JVM 并不是专为 Java 所实现的运行时，实际上只要有其他编程语言的编译器能生成正确 Java bytecode 文件，则这个语言也能实现在JVM上运行。
因此，JVM 通过执行 Java bytecode 可以使 java 代码在不改变的情况下运行在各种硬件之上。
jVM 有如下特点：

基于堆栈的虚拟机：最流行的计算机体系结构，如英特尔X86架构和ARM架构上运行基于寄存器。但是，JVM是基于栈的。
符号引用：除了基本类型以外的数据（类和接口）都是通过符号来引用，而不是通过显式地使用内存地址来引用。
垃圾收集：一个类的实例是由用户明确创建的代码和垃圾回收自动销毁。
通过明确界定的基本数据类型的保证平台的独立性：传统的语言，如C / C ++根据平台有不同的int型的大小。 JVM中明确规定了基本数据类型，以保持它的兼容性和保证平台的独立性。
网络字节顺序：Java class文件用网络字节码顺序来进行存储：为了保证和小端的Intel x86架构以及大端的RISC系列的架构保持无关性，JVM使用用于网络传输的网络字节顺序，也就是大端。

**Java bytecode **
为了实现WORA，JVM使用Java字节码，java（用户语言）和机器语言之间的中间语言。
该Java字节码是部署Java代码的最小单位。

JVM 用来做什么

基于安全方面考虑，JVM 要求在 class 文件中使用许多强制性的语法和机构化约束，但任意一门功能性语言都可以表示为一个能被 JVM 接受的有效的 class 文件。作为一个通用的、机器无关的执行平台，任何其他语言的实现者都可将 JVM 当作他的语言产品交付媒介。

JVM 中执行以下操作：

加载代码
验证代码
执行代码
提供运行环境

JVM 提供定义了：

存储区
类文件格式
寄存器组
垃圾回收堆
致命错误报告等

JVM 生命周期

启动：任何一个拥有main函数的class都可以作为JVM实例运行的起点
运行：main函数为起点，程序中的其他线程均有它启动，包括daemon守护线程和non-daemon普通线程。daemon是JVM自己使用的线程比如GC线程，main方法的初始线程是non-daemon。
消亡：所有线程终止时，JVM实例结束生命。