前言

在開始前，先說為什么我從馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系，追溯到了JVM，一切原來如此。因?yàn)橐活w剽悍種子發(fā)現(xiàn)的一個問題，就是多數(shù)人對待知識總想問是什么，卻常常很少問為什么（或者說知道了是什么后也很少再問為什么），正如這篇所要暢談的JVM，看了很多文章"什么是JVM"，我其實(shí)楞是沒搞懂什么是JVM，或者說為什么JVM是要這樣子呢？

直到回到知識歷史的起點(diǎn)，再來看現(xiàn)在知識，一切原來如此。

（理解知識背后一整條脈絡(luò)遠(yuǎn)比純粹記住硬邦邦知識更為深刻，因?yàn)榍罢邥硭伎忌系挠鋹?，而后者只會讓人喪失樂趣。?/p>

誰說的？我一顆剽悍的種子眼里飽含淚水說的。

所以我回到馮·諾依曼的計(jì)算機(jī)體系再到操作系統(tǒng)去追溯 JVM 來看看這整條脈絡(luò)。

回顧計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史，我們都知道被稱為“現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父”的馮·諾依曼在1945提出并奠定到至今的馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系，也就是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。所以要知道一個真相是到至今為止不管在物理機(jī)之上構(gòu)建的是什么樣的操作系統(tǒng)、還是操作系統(tǒng)上構(gòu)建什么樣的虛擬機(jī)，或者再上層的應(yīng)用，追溯到源頭都離不開這套體系下。（通俗的說我們被籠罩在這套體系之下）

（所以為什么你總能在JVM虛擬機(jī)身上看到計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)熟悉的身影。）

計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)思想

在計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中由 輸入設(shè)備、控制器、運(yùn)算器、存儲器、輸出設(shè)備 這五大部分組成。而 控制器+運(yùn)算器 就是我們再熟悉不過的CPU（中央處理器），存儲器就是內(nèi)存、磁盤等，輸入設(shè)備例如：鍵盤、鼠標(biāo)，輸出設(shè)備如：顯示器等。而整個計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行如下圖所示：

從上面可以看到，整個硬件已經(jīng)布好了局，當(dāng)一個程序被執(zhí)行時(shí)，程序會被當(dāng)成數(shù)據(jù)一樣，所有組成結(jié)構(gòu)都可以被看成數(shù)據(jù)/指令流、控制流（圖下方箭頭所示），程序就像數(shù)據(jù)（或者指令）一樣，只要經(jīng)過流就可以被牢牢操控。這也正是馮·諾依曼的思想 “程序應(yīng)該像數(shù)據(jù)一樣可以被存儲”。

操作系統(tǒng)的本質(zhì)

在計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)之上還有一層，那就是操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)可以說是虛擬機(jī)的鼻祖，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)目的就是：如何操控物理機(jī)器。也就是如何將現(xiàn)實(shí)的物理資源（CPU、內(nèi)存、磁盤）虛擬化成一臺能被你通過盯著屏幕、敲著鍵盤、劃著鼠標(biāo)就能操控現(xiàn)實(shí)的物理資源。

不錯，操作系統(tǒng)本質(zhì)就是將 “物理資源虛擬化”！

（想想元宇宙的起點(diǎn)是不是從操作系統(tǒng)這里開始了呢？）

在我們最常用的操作系統(tǒng)有Windows和Linux這兩種，不過這兩個操作系統(tǒng)之間是不兼容的，那么就會存在編寫的程序并不能同時(shí)運(yùn)行在兩個操作系統(tǒng)上，而開發(fā)程序時(shí)就得要分別開發(fā)。那么就會觸發(fā)人類（程序員）的第一生產(chǎn)力 懶！

千萬別笑！人類發(fā)明蒸汽機(jī)以來，就從未停止過釋放重復(fù)勞動力的工作，人類發(fā)明洗衣機(jī)替代洗衣、洗碗機(jī)替代洗碗、汽車替代馬車，以及再到20世紀(jì)30年代就提出，但至今仍在火的自動駕駛即將替代司機(jī)。但是它們并不具備通用性，就像問鼎了圍棋界的谷歌機(jī)器 AlphaGo ，就算再厲害也只會下圍棋這一件事（圍棋曾被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)沒法逾越的天花板，但被AlphaGo戰(zhàn)勝，不過AlphaGo也只是屬于弱人工智能），可是從整個人類科技發(fā)展來看，人類正在一步步開發(fā)著具備更通用性的人工智能，也就是有一天超越強(qiáng)人工智能而跨越起點(diǎn)的超人工智能，相信未來程序員唯一能做可能就是一段對話：

程序員：“ 嘿 Siri*：幫我開發(fā)一個掘金，順便幫我安排一個叫 一顆剽悍的種子 的家伙寫一篇JVM?！?/p>

程序員：“嘿，對了，Siri，看文章前別忘了給那家伙一鍵三連?！?/p>

Siri：“f*ck 又提需求?！?/p>

程序員：“什么？”

Siri：“安排”

（扯遠(yuǎn)了題外話，希望你能Get到人類追求通用性（懶）遠(yuǎn)不止在JVM中體現(xiàn)。）

JVM的全稱Java Virtual Machine也就是Java虛擬機(jī)，拋開Java虛擬機(jī)前綴Java，虛擬機(jī)其實(shí)就是在“虛擬（抽象）計(jì)算機(jī)”，也就是在操作系統(tǒng)之上再次虛擬出一臺計(jì)算機(jī)，來屏蔽不同硬件和操作系統(tǒng)之間的差異（如果說操作系統(tǒng)是用戶與物理資源之間的橋梁，那么JVM就是不同硬件和操作系統(tǒng)上的橋梁），JVM目的就是具備通用性，也就是我們常說的Java可以跨平臺開發(fā)。

那么回到JVM這時(shí)容易懂了，JVM可以像計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)一樣去運(yùn)行所編寫的程序，而JVM主要由：類裝載器、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)、執(zhí)行引擎、本地庫接口這四個部分所構(gòu)成。

我們知道一個可運(yùn)行的程序其實(shí)不過是我們所定義的一個個 .java源代碼文件組成（這些文件其實(shí)就是我們程序員對于事物的抽象，然后交由計(jì)算機(jī)幫我們實(shí)現(xiàn)）。而JVM只規(guī)定.class字節(jié)碼文件格式，這樣的好處很明顯，那就是不僅只是Java可以運(yùn)行在JVM上，而是只要是能生成.class字節(jié)碼文件也都可以運(yùn)行在JVM之上，所以Java虛擬機(jī)并不是Java語言專有的。所以JVM通過字節(jié)碼存儲格式統(tǒng)一了所有平臺，字節(jié)碼是構(gòu)成平臺無關(guān)性的基石。如：Python、Ruby、Scala等語言（可以說JVM野心真大?。?。

所以.java文件想要在JVM上被執(zhí)行，就必須先由javac編譯器轉(zhuǎn)成后.class再交給Class Loader 類裝載器去進(jìn)行類的加載等。而這也相當(dāng)于開始像計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)一樣的輸入設(shè)備正式的進(jìn)去到整個機(jī)器內(nèi)部。如下圖所示：

類裝載器執(zhí)行過程

說到虛擬機(jī)類裝載器，就不得不說類加載的機(jī)制，而一套機(jī)制就一定會有一個過程，也就是一個類進(jìn)入入口（類裝載器）到虛擬機(jī)中必經(jīng)的整個生命周期：Loading 加載、Linking 連接、Initialization 初始化、Using 使用、Unlading 卸載。如下圖所示：

但其中最主要的Class文件裝載過程是加載、連接、初始化這三步。

加載

類加載過程的第一個過程毫無疑問是加載，如果虛擬機(jī)還沒有加載過此類，會通過類加載器將字節(jié)碼文件加載到內(nèi)存中。當(dāng)然也可以是從ZIP壓縮包，或者JAR、WAR等格式，最終也不過是從中取出類文件而已。

連接

雖然任何二進(jìn)制都可以是Class類型，但是只有JVM能夠裝載的Class文件類型才能運(yùn)行在JVM之上。（也就是要符合虛擬機(jī)的規(guī)范的字節(jié)碼文件才能通過）加載后是連接的過程（連接通俗的說就是將類文件與虛擬機(jī)建立關(guān)聯(lián)），從上圖可以看到連接的包括了三個過程：驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析。 連接的第一步是 驗(yàn)證，驗(yàn)證會從四個階段的檢驗(yàn)依次進(jìn)行：

驗(yàn)證

驗(yàn)證的四個階段：

1. 文件格式驗(yàn)證，其實(shí)就是檢查是否符合Class文件規(guī)范，主要有：魔數(shù)檢查、版本檢查等等，例如：魔數(shù)檢查就是看Class文件開頭是否是 0xCAFEBABE 開頭（魔數(shù)通俗的說就是打一個讓JVM認(rèn)識的標(biāo)簽）。版本檢查就是看Class文件主次版本號是否能在當(dāng)前版本虛擬機(jī)處理等等。

2. 元數(shù)據(jù)驗(yàn)證，（元數(shù)據(jù)可能不好理解，其實(shí)元數(shù)據(jù)從字面意思上就是 描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，所以元數(shù)據(jù)驗(yàn)證就是語義的檢查）檢查類中是否被final修飾、是否有繼承了父類等等。

3. 字節(jié)碼驗(yàn)證，要做的就是確定程序中的語義是否合法且符合邏輯的（通過分析數(shù)據(jù)流和控制流），確保跳轉(zhuǎn)指令指向正確位置，操作數(shù)類型合理等等。

4. 符號引用驗(yàn)證，先說什么是符號引用？符號引用是以一組符號來描述所引用的目標(biāo)，可以是任何字面量。（聽到這你可能還不能Get到的話，暖男一顆剽悍的種子，下面舉個例子，你就悟了）

在上面我們知道 .class 文件是經(jīng)過編譯器編譯后的文件，而 .class 文件里面的內(nèi)容就是字節(jié)碼，通過字節(jié)碼中記錄著自己將要使用的其他類或方法等。

例如下面這段代碼，我們定義一個字符串類型變量的 userName，通過 System.out.println() 打印。

String userName = "Java碼農(nóng)";

System.out.println(userName);

我們看上面代碼編譯成字節(jié)碼后是什么樣子的，如下所示：

 0 ldc #2 <Java碼農(nóng)>
 2 astore_1
 3 getstatic #3 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
 6 aload_1
 7 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println : (Ljava/lang/String;)V>
10 return

可以看到在代碼中最常見的表達(dá)式：

System.out.println(userName)

而轉(zhuǎn)換后的字節(jié)碼中是使用符號引用來“代替”表達(dá)：

invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println : (Ljava/lang/String;)V>

所以符號引用驗(yàn)證就是通過檢查符號引用所“代替”的類、屬性、方法是否存在且有權(quán)限被訪問。

上面的驗(yàn)證東西很多，但是不管什么樣的驗(yàn)證，都是為了 確保類符合 Java 規(guī)范與符合 JVM 規(guī)范，同時(shí) 避免危害到虛擬機(jī)的安全。

準(zhǔn)備

連接的第二步是 準(zhǔn)備，這個階段主要做兩件事，為通過驗(yàn)證了的類來分配內(nèi)存空間并設(shè)置初始化。

如對于 final static 修飾的變量，會直接賦值我們的定義值?？梢钥聪旅孢@段代碼，會在準(zhǔn)備階段分配內(nèi)存，并初始化值。

private final static String value = "一顆剽悍的種子"

各數(shù)據(jù)類型默認(rèn)初始值，如下圖所示：

（注意：上圖中并沒有 boolean 類型，Java中的 boolean 類型的底層實(shí)現(xiàn)實(shí)際上就是 int 類型，int 類型默認(rèn)值 0，對應(yīng)的就是 boolean 類型默認(rèn)值 false。）

解析

連接的第三步是 解析，解析階段的工作就是將 符號引用轉(zhuǎn)為直接引用。因?yàn)樵诰幾g時(shí)類、方法等都是用符號引用來代替（所以為什么叫符號引用，符號只是個標(biāo)識），而符號引用是并不知道這些數(shù)據(jù)所引用的 實(shí)際地址。

所以如果僅僅用符號引用就面臨一個問題，就是 不能確定一定存在該對象。所以通過解析將符號引用轉(zhuǎn)化為 JVM可直接獲取的內(nèi)存地址或指針，也就是 直接引用。

當(dāng)解析將符號引用轉(zhuǎn)成直接引用時(shí)，也就是目標(biāo)必定已經(jīng)在虛擬機(jī)的內(nèi)存中存在（說白了用直接引用就是確定了存在該類、方法或?qū)傩裕?/p>

初始化

類裝載過程中最后階段是初始化。而這個階段將會執(zhí)行構(gòu)造器<clinit>方法，它是在通過我們前面提到過的Javac將 .java 文件編譯成 .class 字節(jié)碼文件時(shí)，所有類初始化代碼，也就是包括靜態(tài)變量賦值語句、靜態(tài)代碼塊、靜態(tài)方法，收集在一起后成為 <clinit>() 方法。

簡單的概括初始化目的就是 初始化給類靜態(tài)變量或靜態(tài)代碼塊為程序員自己所定義的值。

到此，類的加載過程就像馮·諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中的輸入設(shè)備，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)丟進(jìn)了入口后就是真正到JVM內(nèi)部（JVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)）去操縱數(shù)據(jù)，直至將我們的想法通過代碼最后交給機(jī)器來完成。

JVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

JVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)主要分為 堆、程序計(jì)數(shù)器、方法區(qū)、虛擬機(jī)棧和本地方法棧 這五個分區(qū)。其中按 線程共享 和 線程私有 兩類：

• 線程共享：堆、方法區(qū)。

• 線程私有：程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧、本地方法棧。

堆

在JVM 內(nèi)存中最大的一塊內(nèi)存空間就是堆，而且堆也被所有線程共享，所以堆也幾乎存儲著所有的對象。堆被按年代進(jìn)行劃分為 新時(shí)代、 老年代 以及 持久代，新生代又接著被分為 Eden （伊甸園區(qū)） 和 Surivor （幸存區(qū)）。而 Surivor 進(jìn)一步由 From Survivor 和 To Survivor 進(jìn)行劃分。

JDK 8之前以及之后堆按年代劃分的變化，如下圖所示：

方法區(qū)

方法區(qū)跟堆一樣是線程共享的區(qū)域，當(dāng).class字節(jié)碼文件在JVM加載時(shí)會被分配到不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如常量池、方法、構(gòu)造函數(shù)，同時(shí)也主要包括用來存儲已被虛擬機(jī)加載的類相關(guān)信息（類信息又包括了類的版本、字段、方法、接口和父類等信息）都存放在方法區(qū)。

程序計(jì)數(shù)器

我們知道Java程序是多線程執(zhí)行的，所以即想要能滿足多個線程的交叉執(zhí)行，又想要確保多個線程都能完整的執(zhí)行完各自的工作，那么一旦出現(xiàn)被中斷的線程，線程執(zhí)行到哪條的內(nèi)存地址（指令）就必須被保存下來，這樣當(dāng)被中斷的線程恢復(fù)時(shí)就又可以接著執(zhí)行下去。

而這就是程序計(jì)數(shù)器的工作，用來記錄哪個線程當(dāng)前執(zhí)行到哪條指令。所以分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等都需要依賴計(jì)數(shù)器完成。（形象的說就是程序控制流的指示器）

虛擬機(jī)棧

虛擬機(jī)棧是線程私有的區(qū)域，所以不用關(guān)心數(shù)據(jù)一致性問題。當(dāng)我們創(chuàng)建一個線程時(shí)，同樣在JVM中也會創(chuàng)建一個與之對應(yīng)的棧，稱為虛擬機(jī)棧。

而虛擬機(jī)棧的內(nèi)部其實(shí)是一個或多個的棧幀，每一個棧幀又都對應(yīng)著一個Java方法的調(diào)用。

其運(yùn)行過程是，當(dāng)我們創(chuàng)建一個新方法同時(shí)，與之對應(yīng)會在虛擬機(jī)棧中同樣創(chuàng)建一個新的棧幀（當(dāng)前棧幀）會被放在棧頂（只要是棧就會有棧頂和棧底），同時(shí)程序計(jì)數(shù)器也會指向這個當(dāng)前棧地址。如下圖所示：

在每個棧幀里又存儲著方法的 局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法返回地址、附加信息 參與著方法的調(diào)用和返回。

所以 如果說堆解決了數(shù)據(jù)存儲的問題，那么棧就是解決了程序如何運(yùn)行的問題。

本地方法棧

本地方法棧是為了運(yùn)行JVM本地方法（也就是 Native 方法）而準(zhǔn)備的空間。而從字面上之所以被稱為本地方法棧，也是因?yàn)?Natice 方法很多也都是由C語言所實(shí)現(xiàn)的。

如果說 “類加載子系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中的輸入設(shè)備，那么運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)就是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中的CPU（控制器和運(yùn)算器）和存儲器，那么最后的輸出設(shè)備就是執(zhí)行引擎?！?/strong>