理解JVM：从字节码到程序运行

大家好，我是程序员大猩猩。

今天我们来讲一下JVM，好多面试者在面试的时候，都会被问及JVM相关知识。那么JVM到底是什么，要理解它到底是出于什么原因？

JVM俗称Java虚拟机，它是一个抽象的计算机，是提供一个可以运行java程序的软件环境。

JVM主要的任务是加载字节码文件（Java文件编译后的.class文件）、验证字节码、执行字节码。

首先看看JVM的结构模型：

类加载器（Class Loader）

负责将.class文件加载到JVM中
JVM预定义了三个类加载器：Bootstrap Class Loader、Extension Class Loader和System Class Loader。
可以自定义类加载器。

如何自定义类加载器呢? 重新ClassLoader类并重写了findClass方法

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
          // .... 
        } catch (IOException e) {
            throw new ClassNotFoundException(name);
        }
    }

     public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {
        CustomClassLoader loader = new CustomClassLoader();
        Class<?> clazz = loader.findClass("com.example.MyClass");
        Object instance = clazz.newInstance();
        System.out.println("Loaded class: " + instance.getClass().getCanonicalName());
    }
}

那么实现自定义类加载器可以用来干什么呢？

实现热部署，即在运行时重新加载类的修改版本。
加密类文件，然后在加载时解密。
从非标准位置（如数据库、网络或其他专用格式）加载类文件。

2. 运行时数据区（Runtime Data Area）：

方法区（Method Area）

1. 被所有线程共享，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

2. 当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
堆（Heap）

1. Java虚拟机管理的内存中最大的一块，被所有线程共享，在虚拟机启动时创建。

2. 唯一的目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

3. 垃圾回收器管理的主要区域，因此也被称作“GC堆”
栈（Stack）

1. 每个线程创建时都会创建一个虚拟机栈，其生命周期与线程相同。

2. 虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行时，都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

3. 局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和返回地址。
程序计数器（Program Counter Register）

1. 存储当前线程执行的字节码的地址。每个线程都有一个程序计数器，是线程私有的。

2. 执行Java方法时，程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址。如果是本地方法，程序计数器的值则为空（Undefined）。
本地方法栈（Native Method Stack）

1. 为使用Java Native Interface（JNI）的本地方法服务。

2. Native方法栈也会在栈深度溢出或栈扩展失败时抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

3. 执行引擎（Execution Engine）：

字节码加载：
- 类加载器将.class文件加载到JVM的方法区。
- 执行引擎通过方法区的字节码来执行程序。
解释执行：
- 字节码最初是通过解释器逐条解释执行的。
- 解释器快速地将字节码转换成对应的机器指令，然后执行。
即时编译（Just-In-Time Compilation，JIT）：
- 为了提高执行效率，现代JVM通常包含一个即时编译器（JIT编译器）。
- JIT编译器将热点代码（即执行频率高的代码）编译成机器码，并将其存储起来，以便后续可以直接执行编译后的机器码，而不是再次解释执行。
- 这种混合使用解释执行和编译执行的方法称为“即时编译”。
优化：
- JIT编译器在编译字节码时，会进行各种优化，如方法内联、逃逸分析、循环展开等，以提高执行效率。