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【背景介绍】【知识剖析】【常见问题】【解决方案】【编码实战】【扩展思考】【更多讨论】【参考文献】
八个方面深度解析后端知识/技能，本篇分享的是：
【jvm如何运行以及内存如何分配】
大家好，我是IT修真院西安分院第4期的JAVA学员，一枚正直纯洁善良的JAVA程序员。今天给大家分享一下，修真院官网Java任务1，深度思考中的知识点jvm如何运行以及内存如何分配
一、.背景介绍
作为一名Java使用者，掌握JVM的体系结构也是必须的。说起Java，人们首先想到的是Java编程语言.然而事实上，Java是一种技术，它由四方面组成：Java编程语言、Java类文件格式、Java虚拟机和Java应用程序接口(Java API)。它们的关系如下图所示：
二、知识剖析
2.1 JAVA虚拟机工作原理和流程
Java平台由Java虚拟机和Java应用程序接口搭建，Java语言则是进入这个平台的通道， 用Java语言编写并编译的程序可以运行在这个平
在JVM 的上方是Java的基本类库和扩展类库以及它们的API，利用Java API编写的应用程序(application) 和小程序(Java applet).可以在任何Java平台上运行而无需考虑底层平台, 就是因为有Java虚拟机(JVM)实现了程序与操作系统的分离，从而实现了Java 的平台无关性。 JVM在它的生存周期中有一个明确的任务，那就是运行Java程序，因此当Java程序启动的时候，就产生JVM的一个实例；当程序运行结束的时候，该实例也跟着消失了。
下面我们从JVM的体系结构和它的运行过程这两个方面来对它进行比较深入的研究。
2.2Java虚拟机的体系结构
①类装载子系统：装载具有适合名称的类或接口②执行引擎：负责执行包含在已装载的类或接口中的指令 </p>
每个JVM都包含：
方法区、Java堆、Java栈、本地方法栈、指令计数器及其他隐含寄存器
2.3 Java代码编译和执行的整个过程
（1）Java代码编译是由Java源码编译器来完成，也就是Java代码到JVM字节码（.class文件）的过程。
(2）Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成
(3) Java代码编译和执行的整个过程包含了以下三个重要的机制:·Java源码编译机制·类加载机制·类执行机制
1）Java源码编译机制
java 源码编译由以下三个过程组成：①分析和输入到符号表②注解处理③语义分析和生成class文件
最后生成的class文件由以下部分组成：
①结构信息：包括class文件格式版本号及各部分的数量与大小的信息
②元数据：对应于Java源码中声明与常量的信息。包含类/继承的超类/实现的接口的声明信息、域与方法声明信息和常量池
③方法信息：对应Java源码中语句和表达式对应的信息。包含字节码、异常处理器表、求值栈与局部变量区大小、求值栈的类型记录、调试符号信息
2）类加载机制JVM的类加载是通过ClassLoader及其子类来完成的
为什么研究类加载全过程
有助于连接JVM运行过程
更深入了解java动态性（解热部署，动态加载），提高程序的灵活性
3)加载
将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些静态数据转换成方法区中的运行时数据结构，在堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，
作为方法区类数据的访问入口，这个过程需要类加载器参与。
加载是类加载过程中的一个阶段，这个阶段会在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的入口。
注意这里不一定非得要从一个Class文件获取，这里既可以从ZIP包中读取（比如从jar包和war包中读取），
也可以在运行时计算生成（动态代理），也可以由其它文件生成（比如将JSP文件转换成对应的Class类）。
链接
将java类的二进制代码合并到JVM的运行状态之中的过程
验证：这一阶段的主要目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息是否符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。
准备：正式为类变量（static变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段，即在方法区中分配这些变量所使用的内存空间。注意这里所说的初始值概念，
比如一个类变量定义为：public static int v = 8080;
在编译阶段会为v生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机会根据ConstantValue属性将v赋值为8080。
解析：解析阶段是指虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用就是class文件中的：
CONSTANT_Class_info
CONSTANT_Field_info
CONSTANT_Method_info
等类型的常量。
下面我们解释一下符号引用和直接引用的概念：
符号引用与虚拟机实现的布局无关，引用的目标并不一定要已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。</p>
直接引用可以是指向目标的指针，相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。 如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。
4)初始化
初始化阶段是类加载最后一个阶段，前面的类加载阶段之后，除了在加载阶段可以自定义类加载器以外，
其它操作都由JVM主导。到了初始阶段，才开始真正执行类中定义的Java程序代码。
初始化阶段是执行类构造器<client>方法的过程。<client>方法是由编译器自动收集类中的类变量的赋值操作和静态语句块中的语句合并而成的。虚拟机会保证<client>方法执行之前，父类的<client>方法已经执行完毕。
p.s: 如果一个类中没有对静态变量赋值也没有静态语句块，那么编译器可以不为这个类生成<client>()方法。
注意以下几种情况不会执行类初始化：
通过子类引用父类的静态字段，只会触发父类的初始化，而不会触发子类的初始化。
定义对象数组，不会触发该类的初始化。
常量在编译期间会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用定义常量的类不会触发定义常量所在的类。
通过类名获取Class对象，不会触发类的初始化。
通过Class.forName加载指定类时，如果指定参数initialize为false时，也不会触发类初始化，
其实这个参数是告诉虚拟机，是否要对类进行初始化。
通过ClassLoader默认的loadClass方法，也不会触发初始化动作。
5)类加载器
虚拟机设计团队把加载动作放到JVM外部实现，以便让应用程序决定如何获取所需的类，JVM提供了3种类加载器：
启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)：负责加载 JAVA_HOME\lib 目录中的，或通过-Xbootclasspath参数指定路径中的，且被虚拟机认可（按文件名识别，如rt.jar）的类
应用程序类加载器(Application ClassLoader)：负责加载用户路径（classpath）上的类库。
JVM通过双亲委派模型进行类的加载，当然我们也可以通过继承java.lang.ClassLoader实现自定义的类加载器。
当一个类加载器收到类加载任务，会先交给其父类加载器去完成，
因此最终加载任务都会传递到顶层的启动类加载器，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才会尝试执行加载任务。采用双亲委派的一个好处是比如加载位于rt.jar包中的类java.lang.Object，不管是哪个加载器加载这个类，最终都是委托给顶层的启动类加载器进行加载，这样就保证了使用不同的类加载器最终得到的都是同样一个Object对象。在有些情境中可能会出现要我们自己来实现一个类加载器的需求，这里
我们直接看一下jdk中的ClassLoader的源码实
protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException {
// First, check if the class has already been loaded
Class c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
try {
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
c = findBootstrapClass0(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// If still not found, then invoke findClass in order
// to find the class.
c = findClass(name);
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
首先通过Class c = findLoadedClass(name);判断一个类是否已经被加载过。
如果没有被加载过执行if (c == null)中的程序，遵循双亲委派的模型，
首先会通过递归从父加载器开始找，直到父类加载器是Bootstrap ClassLoader为止。
最后根据resolve的值，判断这个class是否需要解析。
而上面的findClass()的实现如下，直接抛出一个异常，并且方法是protected，很明显这是留给我们开发者自己去实现的
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
throw new ClassNotFoundException(name);}
①Bootstrap ClassLoader负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class， 由C++实现，不是ClassLoader子类
②Extension ClassLoader负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包
③App ClassLoader负责记载classpath中指定的jar包及目录中class
④Custom ClassLoader属于应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader，
如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader
加载过程中会先检查类是否被已加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查只要某个classloader已加载就视为已加载此类，保证此类只所有ClassLoader加载一次。
而加载的顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试加载此类。
6)类执行机制
JVM是基于堆栈的虚拟机。JVM为每个新创建的线程都分配一个堆栈.也就是说,对于一个Java程序来说它的运行就是通过对堆栈的操作来完成的。堆栈以帧为单位保存线程的状态。JVM对堆栈只进行两种操作:以帧为单位的压栈和出栈操作。
三、常见问题
1、什么是堆内存，什么是栈内存？有何区别？
四、解决方案
1 什么是堆内存，什么是栈内存？有何区别
ava堆内存
堆内存在Java运行时被使用来为对象和JRE类分配内存。不论什么时候我们创建了对象，它将一直会在堆内存上创建。垃圾回收运行在堆内存上来释放没有任何引用的对象所占的内存，任何在堆上被创建的对象都有一个全局的访问，并且可以在应用的任何位置被引用。
Java栈内存
Java的栈内存被用来线程的执行，他们包含生命周期很短的具体值的方法和在堆中使用这个方法对象的引用。栈内存是LIFO（后进先出）序列。当方法被调用的时候，堆内存中一个新的块被创建，保存了本地原始值和在方法中对其他对象的引用。这个方法结束之后，这个块对其他方法就变成可用的了。栈内存与堆内存相比是非常小的。
堆内存和栈内存的区别
基于上边的解释我们可以很简单的总结出堆和栈的区别：
1、应用程序所有的部分都使用堆内存，然后栈内存通过一个线程运行来使用。
2、不论对象什么时候创建，他都会存储在堆内存中，栈内存包含它的引用。栈内存只包含原始值变量好和堆中对象变量的引用。
3、存储在堆中的对象是全局可以被访问的，然而栈内存不能被其他线程所访问。
4、栈中的内存管理使用LIFO的方式完成，而堆内存的管理要更复杂了，因为它是全局被访问的。堆内存被分为，年轻一代，老一代等等，更多的细节请看，这篇文章
5、栈内存是生命周期很短的，然而堆内存的生命周期从程序的运行开始到运行结束。
6、我们可以使用-Xms和-Xmx JVM选项定义开始的大小和堆内存的最大值，我们可以使用-Xss定义栈的大小
7、当栈内存满的时候，Java抛出java.lang.StackOverFlowError异常而堆内存满的时候抛出java.lang.OutOfMemoryError: Java Heap Space错误
8、和堆内存比，栈内存要小的多，因为明确使用了内存分配规则（LIFO），和堆内存相比栈内存非常快。
五、编码实战
六、扩展思考
假如我们自己写了一个java.lang.String的类，我们是否可以替换调JDK本身的类？
七、参考文献
https://www.cnblogs.com/lishun1005/p/6019678.html
http://www.importnew.com/25295.html
八、更多讨论
1、类加载器之间是如何协调工作的（秦永辉提出）
java采用了委托模型机制，这个机制简单来讲，就是“类装载器有载入类的需求时，会先请示其Parent使用其搜索路径帮忙载入，如果Parent 找不到,那么才由自己依照自己的搜索路径搜索类”
2、类加载的动态性是如何体现的？
一个应用程序总是由n多个类组成，Java程序启动时，并不是一次把所有的类全部加载后再运行，它总是先把保证程序运行的基础类一次性加载到jvm中，其它类等到jvm用到的时候再加载，这样的好处是节省了内存的开销，因为java最早就是为嵌入式系统而设计的，内存宝贵，这是一种可以理解的机制，而用到时再加载这也是java动态性的一种体现。
3、为什么要使用这种双亲委托模式呢？
因为这样可以避免重复加载，当父亲已经加载了该类的时候，就没有必要子ClassLoader再加载一次。
考虑到安全因素，我们试想一下，如果不使用这种委托模式，那我们就可以随时使用自定义的String来动态替代java核心api中定义类型，这样会存在非常大的安全隐患，而双亲委托的方式，就可以避免这种情况，因为String已经在启动时被加载，所以用户自定义类是无法加载一个自定义的ClassLoader。
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