极简JVM教程

定义

英文：Java Virtual Machine
中文：Java虚拟机，vmware虚拟机运行的是操作系统，Java虚拟机运行的是Java程序

JVM跨平台原理

JVM就是一个运行在操作系统上的程序，就像微信、QQ一样，不同操作系统上的JVM安装包不一样，而我们说的JDK和JRE就是JVM的安装包，我们双击QQ图标就能运行QQ，而我们运行java命令就能运行JVM，不管操作系统是什么，JVM运行起来后提供的功能是一样的，都是用来执行代码的，就像不同操作系统上的QQ、微信一样，都是用来聊天的。

不同操作系统上运行的JVM是不一样的，这才是JVM跨平台的本质！我们写一份Java代码，编译为字节码后，之所以能在不同操作系统上运行，就是因为不同操作系统上的JVM都能运行字节码，相当于不同操作系统上的JVM屏蔽了不同操作系统的底层区别。

那字节码的作用是什么呢？

JVM会逐行解释执行字节码，那为什么不逐行解释执行Java代码呢？不一样吗，一份Java代码对应的字节码是一样的，一对一的关系，为什么要把Java代码编译为字节码，因为性能，为了提高效率，如果直接把Java代码翻译为机器指令，也不是不行，也就是解释执行，这样就会导致Java代码再运行时效率比较低，一般的解释型语言效率都比较低，而如果我们提前先对Java代码进行编译，编译为字节码，那字节码再翻译为机器指令时，效率比较块，也就导致真正执行字节码时，效率会比较高，这就是字节码的作用，所以Java其实是编译+解释二合一的语言。

JVM与字节码

JVM关心的是字节码，而不是Java代码，所以一门语言只要能编译为字节码，那么也能在JVM上运行。

JVM整体结构

先将java文件编译为class文件，再利用类加载器将class文件加载到方法区中，然后由解析器逐行执行字节码，每执行一个Java方法，就将方法存入Java栈，每执行一个本地方法，也就是native方法，就将方法存入本地方法栈中，方法执行完后就从栈中移除，程序计数器用来记录当前正在执行的字节码指令地址，方法执行过程中产生的Java对象会存入堆中，垃圾回收器会回收已经没有被使用的Java对象，JIT编译器会在程序运行过程中发现热点代码，并编译为机器指令，从而提高执行效率。

类加载子系统

• 类加载子系统会将某个class文件加载到方法区的内存空间中，可以理解为把class文件中字节码指令，读取到内存中。
• 验证阶段会验证待加载的class文件是否正确，比如验证文件格式
• 准备阶段会为static变量分配内存并赋零值
• 解析阶段会将符号引用解析为直接引用，在一个字节码文件中，会用到其他类，而在字节码中只会存用到的类的类名，而解析阶段就是会根据类名找到该类加载后在方法区中的地址，也就是直接引用，并替换调符号引用，这样真正运行字节码时，就能直接找到某个类了。
• 初始化阶段会给static变量赋值，并执行static块

类加载器的分类

在JVM规范中，把类加载器分了两种：

• 一种是BootStrapClassLoader，这是由C和C++实现的，负责加载jre/lib下的jar包中的类，比如rt.jar中的String类
• 一种是继承了ClassLoader抽象类的类加载器，是由Java语言实现的，比如：
  • ExtClassLoader，用Java实现的，加载目录为jre/lib/ext目录下的类，可以看下Launcher类中的代码
  • AppClassLoader，用Java实现的，加载目录为classpath所指定的目录，可以看下Launcher类中的代码
  • 以及其他自定义的，比如Tomcat中的WebAppClassLoader

比如在Launcher类中有两个静态内部类：

static class AppClassLoader extends URLClassLoader {
    // ...
}
static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {
    // ...
}

通过继承URLClassLoader，最终间接继承了ClassLoader。

双亲委派

直接看代码：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先，检查类是否被加载了
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    // parent有值则委托给parent去加载，否则就委托给BootstrapClassLoader去加载
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }
                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);
                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

这段代码就体现了双亲委派，通常我们用AppClassLoader去加载一个类时，AppClassLoader有一个parent属性指向了ExtClassLoader，当我们用AppClassLoader去加载一个类时，会先委托给ExtClassLoader去加载，而ExtClassLoader没有parent属性，所以会委派给BootstrapClassLoader去加载，只有BootstrapClassLoader没有加载到，才会由ExtClassLoader去加载，也只有ExtClassLoader没有加载到，才会由AppClassLoader来加载，这就是双亲委派。

双亲委派的优点：

• 避免类的重复加载，如果一个类被BootStrapClassLoader加载过了，那么AppClassLoader就不会再重复加载到这个类了。
• 防止核心API被篡改，自定义一个java.lang.String类，但是我们是不到这个类的，因为根据双亲委派始终加载的都是rt.jar中的java.lang.String类

Tomcat为什么要自定义类加载器？

为了进行类的隔离，如果Tomcat直接使用AppClassLoader类加载类，那就会出现如下情况：

1. 应用A中有一个com.zhouyu.Hello.class
2. 应用B中也有一个com.zhouyu.Hello.class
3. 虽然都叫做Hello，但是具体的方法、属性可能不一样
4. 如果AppClassLoader先加载了应用A中的Hello.class
5. 那么应用B中的Hello.class就不可能再被加载了，因为名字是一样
6. 如果就需要针对应用A和应用B设置各自单独的类加载器，也就是WebappClassLoader
7. 这样两个应用中的Hello.class都能被各自的类加载器所加载，不会冲突
8. 这就是Tomcat为什么用自定义类加载器的核心原因，为了实现类加载的隔离
9. JVM中判断一个类是不是已经被加载的逻辑是：类名+对应的类加载器实例