什么是Java虚拟机?

虚拟机是一种抽象化的计算机，通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

Java虚拟机有自己完善的硬体架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。JVM屏蔽了与具体 *** 作系统平台相关的信息，使得Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。

这种解释应该算是正确的，但是只描述了虚拟机的外部行为和功能，并没有针对内部原理做出说明。一般情况下我们不需要知道虚拟机的运行原理，只要专注写java代码就可以了，这也正是虚拟机之所以存在的原因--屏蔽底层 *** 作系统平台的不同并且减少基于原生语言开发的复杂性，使java这门语言能够跨各种平台（只要虚拟机厂商在特定平台上实现了虚拟机），并且简单易用。这些都是虚拟机的外部特性，但是从这些信息来解释虚拟机，未免太笼统了，无法让我们知道内部原理。

从进程的角度解释JVM

让我们尝试从 *** 作系统的层面来理解虚拟机。我们知道，虚拟机是运行在 *** 作系统之中的，那么什么东西才能在 *** 作系统中运行呢？当然是进程，因为进程是 *** 作系统中的执行单位。可以这样理解，当它在运行的时候，它就是一个 *** 作系统中的进程实例，当它没有在运行时（作为可执行文件存放于文件系统中），可以把它叫做程序。

对命令行比较熟悉的同学，都知道其实一个命令对应一个可执行的二进制文件，当敲下这个命令并且回车后，就会创建一个进程，加载对应的可执行文件到进程的地址空间中，并且执行其中的指令。下面对比C语言和Java语言的HelloWorld程序来说明问题。

首先编写C语言版的HelloWorld程序。

编译C语言版的HelloWorld程序：

gcc HelloWorld.c -o HelloWorld

运行C语言版的HelloWorld程序：

zhangjg@linux:/deve/workspace/HelloWorld/src$ ./HelloWorld

hello world

gcc编译器编译后的文件直接就是可被 *** 作系统识别的二进制可执行文件，当我们在命令行中敲下 ./HelloWorld这条命令的时候， 直接创建一个进程， 并且将可执行文件加载到进程的地址空间中， 执行文件中的指令。

作为对比， 我们看一下Java版HelloWord程序的编译和执行形式。

首先编写源文件HelloWord.java ：

编译Java版的HelloWorld程序：

运行Java版的HelloWorld程序：

zhangjg@linux:/deve/workspace/HelloJava/src$ java -classpath . HelloWorld

HelloWorld

从上面的过程可以看到， 我们在运行Java版的HelloWorld程序的时候， 敲入的命令并不是 ./HelloWorld.class 。 因为class文件并不是可以直接被 *** 作系统识别的二进制可执行文件 。 我们敲入的是java这个命令。 这个命令说明， 我们首先启动的是一个叫做java的程序， 这个java程序在运行起来之后就是一个JVM进程实例。

上面的命令执行流程是这样的：

java命令首先启动虚拟机进程，虚拟机进程成功启动后，读取参数“HelloWorld”，把他作为初始类加载到内存，对这个类进行初始化和动态链接（关于类的初始化和动态链接会在后面的博客中介绍），然后从这个类的main方法开始执行。也就是说我们的.class文件不是直接被系统加载后直接在cpu上执行的，而是被一个叫做虚拟机的进程托管的。首先必须虚拟机进程启动就绪，然后由虚拟机中的类加载器加载必要的class文件，包括jdk中的基础类（如String和Object等），然后由虚拟机进程解释class字节码指令，把这些字节码指令翻译成本机cpu能够识别的指令，才能在cpu上运行。

从这个层面上来看，在执行一个所谓的java程序的时候，真真正正在执行的是一个叫做Java虚拟机的进程，而不是我们写的一个个的class文件。这个叫做虚拟机的进程处理一些底层的 *** 作，比如内存的分配和释放等等。我们编写的class文件只是虚拟机进程执行时需要的“原料”。这些“原料”在运行时被加载到虚拟机中，被虚拟机解释执行，以控制虚拟机实现我们java代码中所定义的一些相对高层的 *** 作，比如创建一个文件等，可以将class文件中的信息看做对虚拟机的控制信息，也就是一种虚拟指令。

编程语言也有自己的原理， 学习一门语言， 主要是把它的原理搞明白。 看似一个简单的HelloWorld程序， 也有很多深入的内容值得剖析。

JVM体系结构简介

为了展示虚拟机进程和class文件的关系，特意画了下面一张图：

根据上图表达的内容，我们编译之后的class文件是作为Java虚拟机的原料被输入到Java虚拟机的内部的，那么具体由谁来做这一部分工作呢？其实在Java虚拟机内部，有一个叫做类加载器的子系统，这个子系统用来在运行时根据需要加载类。注意上面一句话中的“根据需要”四个字。在Java虚拟机执行过程中，只有他需要一个类的时候，才会调用类加载器来加载这个类，并不会在开始运行时加载所有的类。就像一个人，只有饿的时候才去吃饭，而不是一次把一年的饭都吃到肚子里。一般来说，虚拟机加载类的时机，在第一次使用一个新的类的时候。本专栏后面的文章会具体讨论Java中的类加载器。

由虚拟机加载的类，被加载到Java虚拟机内存中之后，虚拟机会读取并执行它里面存在的字节码指令。虚拟机中执行字节码指令的部分叫做执行引擎。就像一个人，不是把饭吃下去就完事了，还要进行消化，执行引擎就相当于人的肠胃系统。在执行的过程中还会把各个class文件动态的连接起来。关于执行引擎的具体行为和动态链接相关的内容也会在本专栏后续的文章中进行讨论。

我们知道，Java虚拟机会进行自动内存管理。具体说来就是自动释放没有用的对象，而不需要程序员编写代码来释放分配的内存。这部分工作由垃圾收集子系统负责。

从上面的论述可以知道， 一个Java虚拟机实例在运行过程中有三个子系统来保障它的正常运行，分别是类加载器子系统， 执行引擎子系统和垃圾收集子系统。 如下图所示：

虚拟机的运行，必须加载class文件，并且执行class文件中的字节码指令。它做这么多事情，必须需要自己的空间。就像人吃下去的东西首先要放在胃中。虚拟机也需要空间来存放个中数据。首先，加载的字节码，需要一个单独的内存空间来存放；一个线程的执行，也需要内存空间来维护方法的调用关系，存放方法中的数据和中间计算结果；在执行的过程中，无法避免的要创建对象，创建的对象需要一个专门的内存空间来存放。关于虚拟机运行时数据区的内容，也会出现在本专栏后续的文章中。虚拟机的运行时内存区大概可以分成下图所示的几个部分。(这里只是大概划分，并没有划分的很精细)

总结

写到这里，基本上关于我对java虚拟机的理解就写完了。这篇文章的主题虽然是深入理解Java虚拟机，但是你可能感觉一点也不“深入”，也只是泛泛而谈。我也有这样的感觉。限于自己水平有限，也只能这样了，要是想深入理解java虚拟机，强烈建议读一下三本书：

《深入Java虚拟机》

《深入理解Java虚拟机JVM高级特性与最佳实践》

《Java虚拟机规范》

其实我也读过这几本书，但是它们对虚拟机的解释也是基于一个外部模型，而没有深入剖析虚拟机内部的实现原理。虚拟机是一个大而复杂的东西，实现虚拟机的人都是大牛级别的，如果不是参与过虚拟机的实现，应该很少有人能把它参透。本专栏后面的一些文章也参考了这三本书， 虽然讲解Java语法的书不计其数， 但是深入讲解虚拟机的书， 目前为止我就见过这三本，并且网上的资料也不是很多。

最后做一个总结：

1 虚拟机并不神秘，在 *** 作系统的角度看来，它只是一个普通进程。

2 这个叫做虚拟机的进程比较特殊，它能够加载我们编写的class文件。如果把JVM比作一个人，那么class文件就是我们吃的食物。

3 加载class文件的是一个叫做类加载器的子系统。就好比我们的嘴巴，把食物吃到肚子里。

4 虚拟机中的执行引擎用来执行class文件中的字节码指令。就好比我们的肠胃，对吃进去的食物进行消化。

5 虚拟机在执行过程中，要分配内存创建对象。当这些对象过时无用了，必须要自动清理这些无用的对象。清理对象回收内存的任务由垃圾收集器负责。就好比人吃进去的食物，在消化之后，必须把废物排出体外，腾出空间可以在下次饿的时候吃饭并消化食物。

扩展资料：

关于JAVA虚拟机的参数说明如下：

1、运行class文件

执行带main方法的class文件，Java虚拟机[3] 命令参数行为：

java <CLASS文件名>

注意：CLASS文件名不要带文件后缀.class

例如：

java Test

如果执行的class文件是带包的，即在类文件中使用了：

package <；包名>

那应该在包的基路径下执行，Java虚拟机命令行参数：

java <；包名>.CLASS文件名

例如：

PackageTest.java中，其包名为：com.ee2ee.test，对应的语句为：

package com.ee2ee.test

PackageTest.java及编译后的class文件PackageTest.class的存放目录如下：

classes

|__com

|__ee2ee

|__test

|__PackageTest.java

|__PackageTest.class

要运行PackageTest.class，应在classes目录下执行：

java com.ee2ee.test.PackageTest

2、运行jar文件中的class

原理和运行class文件一样，只需加上参数-cp <jar文件名>；即可。

例如：执行test.jar中的类com.ee2ee.test.PackageTest，命令行如下：

java -cp test.jar com.ee2ee.test.PackageTest

3、显示JDK版本信息

当一台机器上有多个jdk版本时，需要知道当前使用的是那个版本的jdk，使用参数-version即可知道其版本，命令行为：

java -version

4、增加虚拟机可以使用的最大内存

Java虚拟机可使用的最大内存是有限制的，缺省值通常为64MB或128MB。

如果一个应用程序为了提高性能而把数据加载内存中而占用较大的内存，比如超过了默认的最大值128MB，需要加大java虚拟机可使用的最大内存，否则会出现Out of Memory的异常。启动java时，需要使用如下两个参数：

-Xms java虚拟机初始化时使用的内存大小

-Xmx java虚拟机可以使用的最大内存

以上两个命令行参数中设置的size，可以带单位，例如：256m表示256MB

举例说明：

java -Xms128m -Xmx256m ...

表示Java虚拟机初始化时使用的内存为128MB，可使用的最大内存为256MB。

对于tomcat，可以修改其脚本catalina. sh（Unix平台）或catalina.bat（Windows平台），设置变量JAVA_OPTS即可，例如：

JAVA_OPTS='-Xms128m -Xmx256m'

参考资料：百度百科-java虚拟机

package com.kiritor.util

import java.io.File

import java.io.FileFilter

import java.util.Arrays

import java.util.Collections

import java.util.List

/**

* 文件的相关 *** 作类

*

* @author Kiritor

*/

public class FileOperation {

private static String contentPath

private static String filePath

private static File[] fileList = null// 保存文件列表,过滤掉目录

public FileOperation() {

}

/** 构造函数的参数是一个目录 */

public FileOperation(String path) {

File file = new File(path)

if (file.isDirectory())

this.contentPath = path

else

this.filePath = path

}

/**获取文件列表*/

public static File[] getFiles() {

if (contentPath == null) {

File file = new File(filePath)

fileList = new File[1]

fileList[0] = file

return fileList

}

fileList = new File(contentPath).listFiles(new FileFilter() {

/**使用过滤器过滤掉目录*/

@Override

public boolean accept(File pathname) {

if(pathname.isDirectory())

{

return false

}else

return true

}

})

return fileList

}

/** 对当前目录下的所有文件进行排序 */

public static File[] sort() {

getFiles()

Arrays.sort(fileList, new FileComparator())

return fileList

}

public static void tree(File f, int level) {

String preStr = ""

for(int i=0i<leveli++) {

preStr += ""

}

File[] childs = f.listFiles()

//返回一个抽象路径名数组，这些路径名表示此抽象路径名表示的目录中的文件。

for(int i=0i<childs.lengthi++) {

System.out.println(preStr + childs[i].getName())

if(childs[i].isDirectory()) {

tree(childs[i], level + 1)

}

}

}

// 提供一个"比较器"

static class FileComparator implements java.util.Comparator<File>{

@Override

public int compare(File o1, File o2) {

// 按照文件名的字典顺序进行比较

return o1.getName().compareTo(o2.getName())

}

}

}

从宏观上介绍一下Java虚拟机的工作原理。从最初编写的Java源文件（.java文件）是如何一步步执行的，如下图所示，首先Java源文件经过前端编译器（javac或ECJ）将.java文件编译为Java字节码文件，然后JRE加载Java字节码文件，载入系统分配给JVM的内存区，然后执行引擎解释或编译类文件，再由即时编译器将字节码转化为机器码。主要介绍下图中的类加载器和运行时数据区两个部分。

（1）类加载指将类的字节码文件（.class）中的二进制数据读入内存，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆上创建java.lang.Class对象，封装类在方法区内的数据结构。类加载的最终产品是位于堆中的类对象，类对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向JAVA程序提供了访问方法区内数据结构的接口。如下是类加载器的层次关系图。

启动类加载器（BootstrapClassLoader）：在JVM运行时被创建，负责加载存放在JDK安装目录下的jre\lib的类文件，或者被-Xbootclasspath参数指定的路径中，并且能被虚拟机识别的类库（如rt.jar，所有的java.*开头的类均被Bootstrap ClassLoader加载）。启动类无法被JAVA程序直接引用。

扩展类加载器（Extension ClassLoader）：该类加载器负责加载JDK安装目录下的\jre\lib\ext的类，或者由java.ext.dirs系统变量指定路径中的所有类库，开发者也可以直接使用扩展类加载器。

应用程序类加载器（AppClassLoader）：负责加载用户类路径（Classpath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有定义过自己的类加载器，该类加载器为默认的类加载器。

用户自定义类加载器（User ClassLoader）：JVM自带的类加载器是从本地文件系统加载标准的java class文件，而自定义的类加载器可以做到在执行非置信代码之前，自动验证数字签名，动态地创建符合用户特定需要的定制化构建类，从特定的场所（数据库、网络中）取得java class。

注意如上的类加载器并不是通过继承的方式实现的，而是通过组合的方式实现的。而JAVA虚拟机的加载模式是一种委派模式，如上图中的1-7步所示。下层的加载器能够看到上层加载器中的类，反之则不行。类加载器可以加载类但是不能卸载类。说了一大堆，还是感觉需要拿点代码说事。

首先先定义自己的类加载器MyClassLoader，继承自ClassLoader，并覆盖了父类的findClass(String name)方法，如下：

利用定义的类加载器加载指定的字节码文件，如通过MyClassLoader加载C:\\Users\\Administrator\\下的Test.class字节码文件，代码如下所示：

（2）运行时数据区

字节码的加载第一步，其后分别是认证、准备、解析、初始化，那么这些步骤又具体做了哪些工作，如下图所示：

（3）如下将介绍运行时数据区，主要分为方法区、Java堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。其中方法区和Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，而虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器是线程私有的内存区。

Java堆：Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，被进程的所有线程共享，在虚拟机启动时被创建。该区域的唯一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，随着JIT编译器的发展与逃逸分支技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换等优化技术使得对象在堆上的分配内存变得不是那么“绝对”。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。由于现在的收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以分为老年代和新生代(Eden、From Survivor、To Survivor)。根据Java虚拟机规范，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑上连续即可。该区域的大小可以通过-Xmx和-Xms参数来扩展，如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法扩展，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区：用于存储被Java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。不同于Java堆的是，Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，可以选择不实现垃圾收集。但并非数据进入了方法区就“永久”存在了，这区域内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。如果该区域内存不足也会抛出OutOfMemoryError异常。

常量池：这个名词可能大家也经常见，是方法区的一部分。Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息就是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。Java虚拟机运行期间，也可能将新的常量放入常量池（如String类的intern()方法）。

虚拟机栈：线程私有，生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、 *** 作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。如果请求的站深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常，虚拟机栈在动态扩展时如果无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

过最简单的一段代码解释一下，程序在运行时数据区个部分的变化情况。

（4）通过编译器将Test.java文件编译为Test.class，利用javap -verbose Test.class对编译后的字节码进行分析，如下图所示：

（5）看看运行时数据区的变化：

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