JVM的运行原理以及JDK 7增加的新特性（二）

JVM结构

Java编写的代码会按照下图的流程来执行

类装载器装载负责装载编译后的字节码，并加载到运行时数据区（Runtime Data Area），然后执行引擎执行会执行这些字节码。

类加载器（Class Loader）

Java提供了动态的装载特性；它会在运行时的第一次引用到一个class的时候对它进行装载和链接，而不是在编译期进行。JVM的类装载器负责动态装载。Java类装载器有如下几个特点：

• 层级结构：Java里的类装载器被组织成了有父子关系的层级结构。Bootstrap类装载器是所有装载器的父亲。
• 代理模式：基于层级结构，类的装载可以在装载器之间进行代理。当装载器装载一个类时，首先会检查它是否在父装载器中进行装载了。如果上层的装载器已经装载了这个类，这个类会被直接使用。反之，类装载器会请求装载这个类。
• 可见性限制：一个子装载器可以查找父装载器中的类，但是一个父装载器不能查找子装载器里的类。
• 不允许卸载：类装载器可以装载一个类但是不可以卸载它，不过可以删除当前的类装载器，然后创建一个新的类装载器。

每个类装载器都有一个自己的命名空间用来保存已装载的类。当一个类装载器装载一个类时，它会通过保存在命名空间里的类全局限定名(Fully Qualified Class Name)进行搜索来检测这个类是否已经被加载了。如果两个类的全局限定名是一样的，但是如果命名空间不一样的话，那么它们还是不同的类。不同的命名空间表示class被不同的类装载器装载。

下图展示了类装载器的代理模型。

当一个类装载器（class loader）被请求装载类时，它首先按照顺序在上层装载器、父装载器以及自身的装载器的缓存里检查这个类是否已经存在。简单来说，就是在缓存里查看这个类是否已经被自己装载过了，如果没有的话，继续查找父类的缓存，直到在bootstrap类装载器里也没有找到的话，它就会自己在文件系统里去查找并且加载这个类。

• 启动类加载器（Bootstrap class loader）:这个类装载器是在JVM启动的时候创建的。它负责装载Java API，包含Object对象。和其他的类装载器不同的地方在于这个装载器是通过native code来实现的，而不是用Java代码。
• 扩展类加载器（Extension class loader）:它装载除了基本的Java API以外的扩展类。它也负责装载其他的安全扩展功能。
• 系统类加载器（System class loader）:如果说bootstrap class loader和extension class loader负责加载的是JVM的组件，那么system class loader负责加载的是应用程序类。它负责加载用户在$CLASSPATH里指定的类。
• 用户自定义类加载器（User-defined class loader）:这是应用程序开发者用直接用代码实现的类装载器。

类似于web应用服务(WAS)之类的框架会用这种结构来对Web应用和企业级应用进行分离。换句话来说，类装载器的代理模型可以用来保证不同应用之间的相互独立。WAS类装载器使用这种层级结构，不同的WAS供应商的装载器结构有稍许区别。

如果类装载器查找到一个没有装载的类，它会按照下图的流程来装载和链接这个类：

每个阶段的描述如下：

• Loading: 类的信息从文件中获取并且载入到JVM的内存里。
• Verifying:检查读入的结构是否符合Java语言规范以及JVM规范的描述。这是类装载中最复杂的过程，并且花费的时间也是最长的。并且JVM TCK工具的大部分场景的用例也用来测试在装载错误的类的时候是否会出现错误。
• Preparing:分配一个结构用来存储类信息，这个结构中包含了类中定义的成员变量，方法和接口的信息。
• Resolving:把这个类的常量池中的所有的符号引用改变成直接引用。
• Initializing:把类中的变量初始化成合适的值。执行静态初始化程序，把静态变量初始化成指定的值。

JVM规范定义了上面的几个任务，不过它允许具体执行的时候能够有些灵活的变动。

运行时数据区(Runtime Data Areas)

运行时数据区是在JVM运行的时候操作所分配的内存区。运行时内存区可以划分为6个区域。在这6个区域中，一个PC Register,JVM stack 以及Native Method Statck都是按照线程创建的，Heap,Method Area以及Runtime Constant Pool都是被所有线程公用的。

• PC寄存器(PC register):每个线程启动的时候，都会创建一个PC(Program Counter ,程序计数器)寄存器。PC寄存器里保存有当前正在执行的JVM指令的地址。
• JVM 堆栈(JVM stack)：每个线程启动的时候，都会创建一个JVM堆栈。它是用来保存栈帧的。JVM只会在JVM堆栈上对栈帧进行push和pop的操作。如果出现了异常，堆栈跟踪信息的每一行都代表一个栈帧立的信息，这些信息它是通过类似于printStackTrace()这样的方法来展示的。

• -栈帧(stack frame)：每当一个方法在JVM上执行的时候，都会创建一个栈帧，并且会添加到当前线程的JVM堆栈上。当这个方法执行结束的时候，这个栈帧就会被移除。每个栈帧里都包含有当前正在执行的方法所属类的本地变量数组，操作数栈，以及运行时常量池的引用。本地变量数组的和操作数栈的大小都是在编译时确定的。因此，一个方法的栈帧的大小也是固定不变的。

• -局部变量数组(Local variable array)：这个数组的索引从0开始。索引为0的变量表示这个方法所属的类的实例。从1开始，首先存放的是传给该方法的参数，在参数后面保存的是方法的局部变量。

• - 操作数栈(Operand stack)：方法实际运行的工作空间。每个方法都在操作数栈和局部变量数组之间交换数据，并且压入或者弹出其他方法返回的结果。操作数栈所需的最大空间是在编译期确定的。因此，操作数栈的大小也可以在编译期间确定。
• 本地方法栈(Native method stack)：供用非Java语言实现的本地方法的堆栈。换句话说，它是用来调用通过JNI(Java Native Interface Java本地接口）调用的C/C++代码。根据具体的语言，一个C堆栈或者C++堆栈会被创建。
• 方法区(Method area)：方法区是所有线程共享的，它是在JVM启动的时候创建的。它保存所有被JVM加载的类和接口的运行时常量池，成员变量以及方法的信息，静态变量以及方法的字节码。JVM的提供者可以通过不同的方式来实现方法区。在Oracle 的HotSpot JVM里，方法区被称为永久区或者永久代（PermGen）。是否对方法区进行垃圾回收对JVM的实现是可选的。
• 运行时常量池(Runtime constant pool)：这个区域和class文件里的constant_pool是相对应的。这个区域是包含在方法区里的，不过，对于JVM的操作而言，它是一个核心的角色。因此在JVM规范里特别提到了它的重要性。除了包含每个类和接口的常量，它也包含了所有方法和变量的引用。简而言之，当一个方法或者变量被引用时，JVM通过运行时常量区来查找方法或者变量在内存里的实际地址。
• 堆(Heap)：用来保存实例或者对象的空间，而且它是垃圾回收的主要目标。当讨论类似于JVM性能之类的问题时，它经常会被提及。JVM提供者可以决定怎么来配置堆空间，以及不对它进行垃圾回收。

现在我们再会过头来看看之前反汇编的字节码

public void add(java.lang.String);

  Code:

   0:   aload_0

   1:   getfield        #15; //Field admin:Lcom/nhn/user/UserAdmin;

   4:   aload_1

   5:   invokevirtual   #23; //Method com/nhn/user/UserAdmin.addUser:(Ljava/lang/String;)Lcom/nhn/user/User;

   8:   pop

   9:   return

把上面的反汇编代码和我们平时所见的x86架构的汇编代码相比较，我们会发现这两者的结构有点相似，都使用了操作码；不过，有一点不同的地方是Java字节码并不会在操作数里写入寄存器的名称、内存地址或者偏移量。之前已经说过，JVM用的是栈，它不会使用寄存器。和使用寄存器的x86架构不同，它自己负责内存的管理。它用索引例如15和23来代替实际的内存地址。15和23都是当前类（这里是UserService类）的常量池里的索引。简而言之，JVM为每个类创建了一个常量池，并且这个常量池里保存了实际目标的引用。

每行反汇编代码的解释如下：

• aload_0:把局部变量数组中索引为#0的变量添加到操作数栈上。索引#0所表示的变量是this，即是当前实例的引用。
• getfield #15:把当前类的常量池里的索引为#15的变量添加到操作数栈。这里添加的是UserAdmin的admin成员变量。因为admin变量是个类的实例，因此添加的是一个引用。
• aload_1:把局部变量数组里的索引为#1的变量添加到操作数栈。来自局部变量数组里的索引为1的变量是方法的一个参数。因此，在调用add()方法的时候，会把userName指向的String的引用添加到操作数栈上。
• invokevirtual #23:调用当前类的常量池里的索引为#23的方法。这个时候，通过getfile和aload_1添加到操作数栈上的引用都被作为方法的参数。当方法运行完成并且返回时，它的返回值会被添加到操作数栈上。
• pop:把通过invokevirtual调用的方法的返回值从操作数栈里弹出来。你可以看到，在前面的例子里，用老的类库编译的那段代码是没有返回值的。简而言之，正因为之前的代码没有返回值，所以没必要吧把返回值从操作数栈上给弹出来。
• return：结束当前方法调用

下图可以帮助你更好地理解上面的内容。

顺便提一下，在这个方法里，局部变量数组没有被修改。所以上图只显示了操作数栈的变化。不过，大部分的情况下，局部变量数组也是会改变的。局部变量数组和操作数栈之间的数据传输是使用通过大量的load指令(aload,iload)和store指令（astore,istore)来实现的。

在这个图里，我们简单验证了运行时常量池和JVM栈的描述。当JVM运行的时候，每个类的实例都会在堆上进行分配，User，UserAdmin，UserService以及String等类的信息都会保存在方法区。

执行引擎（Execution Engine）

通过类装载器装载的，被分配到JVM的运行时数据区的字节码会被执行引擎执行。执行引擎以指令为单位读取Java字节码。它就像一个CPU一样，一条一条地执行机器指令。每个字节码指令都由一个1字节的操作码和附加的操作数组成。执行引擎取得一个操作码，然后根据操作数来执行任务，完成后就继续执行下一条操作码。

不过Java字节码是用一种人类可以读懂的语言编写的，而不是用机器可以直接执行的语言。因此，执行引擎必须把字节码转换成可以直接被JVM执行的语言。字节码可以通过以下两种方式转换成合适的语言。

• 解释器：一条一条地读取，解释并且执行字节码指令。因为它一条一条地解释和执行指令，所以它可以很快地解释字节码，但是执行起来会比较慢。这是解释执行的语言的一个缺点。字节码这种“语言”基本来说是解释执行的。
• 即时（Just-In-Time)编译器：即时编译器被引入用来弥补解释器的缺点。执行引擎首先按照解释执行的方式来执行，然后在合适的时候，即时编译器把整段字节码编译成本地代码。然后，执行引擎就没有必要再去解释执行方法了，它可以直接通过本地代码去执行它。执行本地代码比一条一条进行解释执行的速度快很多。编译后的代码可以执行的很快，因为本地代码是保存在缓存里的。

不过，用JIT编译器来编译代码所花的时间要比用解释器去一条条解释执行花的时间要多。因此，如果代码只被执行一次的话，那么最好还是解释执行而不是编译后再执行。因此，内置了JIT编译器的JVM都会检查方法的执行频率，如果一个方法的执行频率超过一个特定的值的话，那么这个方法就会被编译成本地代码。

JVM规范没有定义执行引擎该如何去执行。因此，JVM的提供者通过使用不同的技术以及不同类型的JIT编译器来提高执行引擎的效率。

大部分的JIT编译器都是按照下图的方式来执行的：

JIT编译器把字节码转换成一个中间层表达式，一种中间层的表示方式，来进行优化，然后再把这种表示转换成本地代码。

Oracle Hotspot VM使用一种叫做热点编译器的JIT编译器。它之所以被称作”热点“是因为热点编译器通过分析找到最需要编译的“热点”代码，然后把热点代码编译成本地代码。如果已经被编译成本地代码的字节码不再被频繁调用了，换句话说，这个方法不再是热点了，那么Hotspot VM会把编译过的本地代码从cache里移除，并且重新按照解释的方式来执行它。Hotspot VM分为Server VM和Client VM两种，这两种VM使用不同的JIT编译器。

Client VM 和Server VM使用完全相同的运行时，不过如上图所示，它们所使用的JIT编译器是不同的。Server VM用的是更高级的动态优化编译器，这个编译器使用了更加复杂并且更多种类的性能优化技术。

IBM 在IBM JDK 6里不仅引入了JIT编译器，它同时还引入了AOT(Ahead-Of-Time)编译器。它使得多个JVM可以通过共享缓存来共享编译过的本地代码。简而言之，通过AOT编译器编译过的代码可以直接被其他JVM使用。除此之外，IBM JVM通过使用AOT编译器来提前把代码编译器成JXE（Java EXecutable)文件格式来提供一种更加快速的执行方式。

大部分Java程序的性能都是通过提升执行引擎的性能来达到的。正如JIT编译器一样，很多优化的技术都被引入进来使得JVM的性能一直能够得到提升。最原始的JVM和最新的JVM最大的差别之处就是在于执行引擎。

Hotspot编译器在1.3版本的时候就被引入到Oracle Hotspot VM里了，JIT编译技术在Anroid 2.2版本的时候被引入到Dalvik VM里。

引入一种中间语言，例如字节码，虚拟机执行字节码，并且通过JIT编译器来提升JVM的性能的这种技术以及广泛应用在使用中间语言的编程语言上。例如微软的.Net，CLR（Common Language Runtime 公共语言运行时），也是一种VM，它执行一种被称作CIL（Common Intermediate Language）的字节码。CLR提供了AOT编译器和JIT编译器。因此，用C#或者VB.NET编写的源代码被编译后，编译器会生成CIL并且CIL会执行在有JIT编译器的CLR上。CLR和JVM相似，它也有垃圾回收机制，并且也是基于堆栈运行。

Java 虚拟机规范，Java SE 第7版

2011年7月28日，Oracle发布了Java SE的第7个版本，并且把JVM规也更新到了相应的版本。在1999年发布《The Java Virtual Machine Specification,Second Edition》后，Oracle花了12年来发布这个更新的版本。这个更新的版本包含了这12年来累积的众多变化以及修改，并且更加细致地对规范进行了描述。此外，它还反映了《The Java Language Specificaion,Java SE 7 Edition》里的内容。主要的变化总结如下：

• 来自Java SE 5.0里的泛型，支持可变参数的方法
• 从Java SE 6以来，字节码校验的处理技术所发生的改变
• 添加invokedynamic指令以及class文件对于该指令的支持
• 删除了关于Java语言概念的内容，并且指引读者去参考Java语言规范
• 删除关于Java线程和锁的描述，并且把它们移到Java语言规范里

最大的改变是添加了invokedynamic指令。也就是说JVM的内部指令集做了修改，使得JVM开始支持动态类型的语言，这种语言的类型不是固定的，例如脚本语言以及来自Java SE 7里的Java语言。之前没有被用到的操作码186被分配给新指令invokedynamic，而且class文件格式里也添加了新的内容来支持invokedynamic指令。

Java SE 7的编译器生成的class文件的版本号是51.0。Java SE 6的是50.0。class文件的格式变动比较大，因此，51.0版本的class文件不能够在Java SE 6的虚拟机上执行。

尽管有了这么多的变动，但是Java方法的65535字节的限制还是没有被去掉。除非class文件的格式彻底改变，否者这个限制将来也是不可能去掉的。

值得说明的是，Oracle Java SE 7 VM支持G1这种新的垃圾回收机制，不过，它被限制在Oracle JVM上，因此，JVM本身对于垃圾回收的实现不做任何限制。也因此，在JVM规范里没有对它进行描述。

switch 语句里的String

Java SE 7里添加了很多新的语法和特性。不过，在Java SE 7的版本里，相对于语言本身而言，JVM没有多少的改变。那么，这些新的语言特性是怎么来实现的呢？我们通过反汇编的方式来看看switch语句里的String（把字符串作为switch()语句的比较对象）是怎么实现的？

例如，下面的代码：

// SwitchTest

public class SwitchTest {

    public int doSwitch(String str) {

        switch (str) {

        case "abc":        return 1;

        case "123":        return 2;

        default:         return 0;

        }

    }

}

因为这是Java SE 7的一个新特性，所以它不能在Java SE 6或者更低版本的编译器上来编译。用Java SE 7的javac来编译。下面是通过javap -c来反编译后的结果。

C:Test>javap -c SwitchTest.classCompiled from "SwitchTest.java"

public class SwitchTest {

  public SwitchTest();

    Code:

       0: aload_0

       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V

       4: return  public int doSwitch(java.lang.String);

    Code:

       0: aload_1

       1: astore_2

       2: iconst_m1

       3: istore_3

       4: aload_2

       5: invokevirtual #2                  // Method java/lang/String.hashCode:()I

       8: lookupswitch  { // 2

                 48690: 50

                 96354: 36

               default: 61

          }

      36: aload_2

      37: ldc           #3                  // String abc

      39: invokevirtual #4                  // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z

      42: ifeq          61

      45: iconst_0

      46: istore_3

      47: goto          61

      50: aload_2

      51: ldc           #5                  // String 123

      53: invokevirtual #4                  // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z

      56: ifeq          61

      59: iconst_1

      60: istore_3

      61: iload_3

      62: lookupswitch  { // 2

                     0: 88

                     1: 90

               default: 92

          }

      88: iconst_1

      89: ireturn

      90: iconst_2

      91: ireturn

      92: iconst_0

      93: ireturn

在#5和#8字节处，首先是调用了hashCode()方法，然后它作为参数调用了switch(int)。在lookupswitch的指令里，根据hashCode的结果进行不同的分支跳转。字符串“abc"的hashCode是96354，它会跳转到#36处。字符串”123“的hashCode是48690，它会跳转到#50处。生成的字节码的长度比Java源码长多了。首先，你可以看到字节码里用lookupswitch指令来实现switch()语句。不过，这里使用了两个lookupswitch指令，而不是一个。如果反编译的是针对Int的switch()语句的话，字节码里只会使用一个lookupswitch指令。也就是说，针对string的switch语句被分成用两个语句来实现。留心标号为#5，#39和#53的指令，来看看switch()语句是如何处理字符串的。

在第#36，#37，#39，以及#42字节的地方，你可以看见str参数被equals()方法来和字符串“abc”进行比较。如果比较的结果是相等的话，‘0’会被放入到局部变量数组的索引为#3的位置，然后跳抓转到第#61字节。

在第#50，#51，#53，以及#56字节的地方，你可以看见str参数被equals()方法来和字符串“123”进行比较。如果比较的结果是相等的话，10’会被放入到局部变量数组的索引为#3的位置，然后跳转到第#61字节。

在第#61和#62字节的地方，局部变量数组里索引为#3的值，这里是'0'，‘1’或者其他的值，被lookupswitch用来进行搜索并进行相应的分支跳转。

换句话来说，在Java代码里的用来作为switch()的参数的字符串str变量是通过hashCode()和equals()方法来进行比较，然后根据比较的结果，来执行swtich()语句。

在这个结果里，编译后的字节码和之前版本的JVM规范没有不兼容的地方。Java SE 7的这个用字符串作为switch参数的特性是通过Java编译器来处理的，而不是通过JVM来支持的。通过这种方式还可以把其他的Java SE 7的新特性也通过Java编译器来实现。

总结

我不认为为了使用好Java必须去了解Java底层的实现。许多没有深入理解JVM的开发者也开发出了很多非常好的应用和类库。不过，如果你更加理解JVM的话，你就会更加理解Java，这样你会有助于你处理类似于我们前面的案例中的问题。