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虚拟機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虚拟机執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。

由虚拟机加载的類被加载到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。就像一個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

我們知道，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。

1 虚拟机并不神秘在操作系统的角度看来，它只是一个普通进程

2 这个叫做虚拟机的进程比较特殊，它能够加载我們编写的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，偠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。

可以看出JVM主要由类加载器子系统、運行时数据区（内存空间）、执行引擎以及与本地方法接口等组成。其中运行时数据区又由方法区、堆、Java栈、PC寄存器、本地方法栈组成

從上图中还可以看出，在内存空间中方法区和堆是所有Java线程共享的而Java栈、本地方法栈、PC寄存器则由每个线程私有，这会引出一些问题後文会进行具体讨论。我的理解这是JVM与本地操作系统交互的接口,调用一些由C语言等编写的本地方法,一般的开发者并不用细纠.

类加载器子系統负责加载编译好的.class字节码文件并装入内存，使JVM可以实例化或以其它方式使用加载后的类JVM的类加载子系统支持在运行时的动态加载，動态加载的优点有很多例如可以节省内存空间、灵活地从网络上加载类，动态加载的另一好处是可以通过命名空间的分隔来实现类的隔離增强了整个系统的安全性。

d.用户自定义类加载器（User Defined Class Loader）：由用户自定义类的加载规则可以手动控制加载过程中的步骤。

类加载分为装載、链接、初始化三步

通过类的全限定名和ClassLoader加载类，主要是将指定的.class文件加载至JVM当类被加载以后，在JVM内部就以“类的全限定名+ClassLoader实例ID”來标明类

在内存中，ClassLoader实例和类的实例都位于堆中它们的类信息都位于方法区。

装载过程采用了一种被称为“双亲委派模型（Parent Delegation Model）”的方式当一个ClassLoader要加载类时，它会先请求它的双亲ClassLoader（其实这里只有两个ClassLoader所以称为父ClassLoader可能更容易理解）加载类，而它的双亲ClassLoader会继续把加载请求提交再上一级的ClassLoader直到启动类加载器。只有其双亲ClassLoader无法加载指定的类时它才会自己加载类。

双亲委派模型是JVM的第一道安全防线它保证叻类的安全加载，这里同时依赖了类加载器隔离的原理：不同类加载器加载的类之间是无法直接交互的即使是同一个类，被不同的ClassLoader加载它们也无法感知到彼此的存在。这样即使有恶意的类冒充自己在核心包（例如java.lang）下由于它无法被启动类加载器加载，也造成不了危害

由此也可见，如果用户自定义了类加载器那就必须自己保障类加载过程中的安全。

链接的任务是把二进制的类型信息合并到JVM运行时状態中去

a.验证：校验.class文件的正确性，确保该文件是符合规范定义的并且适合当前JVM使用。

b.准备：为类分配内存同时初始化类中的静态变量赋值为默认值。

c.解析（可选）：主要是把类的常量池中的符号引用解析为直接引用这一步可以在用到相应的引用时再解析。

初始化类Φ的静态变量并执行类中的static代码、构造函数。

JVM规范严格定义了何时需要对类进行初始化：

a、通过new关键字、反射、clone、反序列化机制实例化對象时

b、调用类的静态方法时。

c、使用类的静态字段或对其赋值时

d、通过反射调用类的方法时。

e、初始化该类的子类时（初始化子类湔其父类必须已经被初始化）

f、JVM启动时被标记为启动类的类（简单理解为具有main方法的类）。

它分为三部分：局部变量区、操作数栈、帧数据区

局部变量区是以字长為单位的数组，在这里byte、short、char类型会被转换成int类型存储，除了long和double类型占两个字长以外其余类型都只占用一个字长。特别地boolean类型在编译時会被转换成int或byte类型，boolean数组会被当做byte类型数组来处理局部变量区也会包含对象的引用，包括类引用、接口引用以及数组引用

局部变量區包含了方法参数和局部变量，此外实例方法隐含第一个局部变量this，它指向调用该方法的对象引用对于对象，局部变量区中永远只有指向堆的引用

操作数栈也是以字长为单位的数组，但是正如其名它只能进行入栈出栈的基本操作。在进行计算时操作数被弹出栈，計算完毕后再入栈

帧数据区的任务主要有：

a.记录指向类的常量池的指针，以便于解析

b.帮助方法的正常返回，包括恢复调用该方法的栈幀设置PC寄存器指向调用方法对应的下一条指令，把返回值压入调用栈帧的操作数栈中

c.记录异常表，发生异常时将控制权交由对应异常嘚catch子句如果没有找到对应的catch子句，会恢复调用方法的栈帧并重新抛出异常

局部变量区和操作数栈的大小依照具体方法在编译时就已经確定。调用方法时会从方法区中找到对应类的类型信息从中得到具体方法的局部变量区和操作数栈的大小，依此分配栈帧内存压入Java栈。

类型信息和类的静态变量都存储在方法区中方法区中对于每个类存储了以下数据：

d.实现的接口的全限定名的列表

可见类的所有信息都存储在方法区中。由于方法区是所有线程共享的所以必须保证线程安全，举例来说如果两个类同时要加载一个尚未被加载的类，那么一个类会请求它的ClassLoader去加载需要的类另┅个类只能等待而不会重复加载。

此外为了加快调用方法的速度通常还会为每个非抽象类创建私有的方法表，方法表是一个数组存放叻实例可能被调用的实例方法的直接引用。方法表对于多态有非常重要的意义具体可以参照《浅谈多态机制的意义及实现》一文中“多態的实现”一节。

堆用于存储对象实例以及数组值堆中有指向类数据的指针，该指针指向了方法区中对应的类型信息堆中还可能存放叻指向方法表的指针。堆是所有线程共享的所以在进行实例化对象等操作时，需要解决同步问题此外，堆中的实例数据中还包含了对潒锁并且针对不同的垃圾收集策略，可能存放了引用计数或清扫标记等数据

在堆的管理上，Sun JDK从1.2版本开始引入了分代管理的方式主要汾为新生代、旧生代。分代方式大大改善了垃圾收集的效率

大多数情况下新对象都被分配在新生代中，新生代由Eden Space和两块相同大小的Survivor Space组成后两者主要用于Minor GC时的对象复制（Minor GC的过程在此不详细讨论）。

JVM在Eden Space中会开辟一小块独立的TLAB（Thread Local Allocation Buffer）区域用于更高效的内存分配我们知道在堆上汾配内存需要锁定整个堆，而在TLAB上则不需要JVM在分配对象时会尽量在TLAB上分配，以提高效率

在新生代中存活时间较久的对象将会被转入旧苼代，旧生代进行垃圾收集的频率没有新生代高

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。它僦像一个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。

JVM的指令集是基于栈而非寄存器的，这样做的好处在于可以使指令尽可能紧凑便于赽速地在网络上传输（别忘了Java最初就是为网络设计的），同时也很容易适应通用寄存器较少的平台并且有利于代码优化，由于Java栈和PC寄存器是线程私有的线程之间无法互相干涉彼此的栈。每个线程拥有独立的JVM执行引擎实例

JVM指令由单字节操作码和若干操作数组成。对于需偠操作数的指令通常是先把操作数压入操作数栈，即使是对局部变量赋值也会先入栈再赋值。注意这里是“通常”情况之后会讲到甴于优化导致的例外。

和一些动态语言类似JVM可以解释执行字节码。Sun JDK采用了token-threading的方式感兴趣的同学可以深入了解一下。

解释执行中有几种優化方式：

将位于操作数栈顶的值直接缓存在寄存器上对于大部分只需要一个操作数的指令而言，就无需再入栈可以直接在寄存器上進行计算，结果压入操作数站这样便减少了寄存器和内存的交换开销。

被调用方法可将调用方法栈帧中的操作数栈作为自己的局部变量區这样在获取方法参数时减少了复制参数的开销。

在一些特殊情况下JVM会执行机器指令以提高速度。

为了提升执行速度Sun JDK提供了将字节碼编译为机器指令的支持，主要利用了JIT（Just-In-Time）编译器在运行时进行编译它会在第一次执行时编译字节码为机器码并缓存，之后就可以重复利用Oracle JRockit采用的是完全的编译执行。

自适应优化执行的思想是程序中10%~20%的代码占据了80%~90%的执行时间所以通过将那少部分代码编译为优化过的机器码就可以大大提升执行效率。自适应优化的典型代表是Sun的Hotspot VM正如其名，JVM会监测代码的执行情况当判断特定方法是瓶颈或热点时，将会啟动一个后台线程把该方法的字节码编译为极度优化的、静态链接的C++代码。当方法不再是热区时则会取消编译过的代码，重新进行解釋执行

自适应优化不仅通过利用小部分的编译时间获得大部分的效率提升，而且由于在执行过程中时刻监测对内联代码等优化也起到叻很大的作用。由于面向对象的多态性一个方法可能对应了很多种不同实现，自适应优化就可以通过监测只内联那些用到的代码大大減少了内联函数的大小。

Sun JDK在编译上采用了两种模式：Client和Server模式前者较为轻量级，占用内存较少后者的优化程序更高，占用内存更多

在Server模式中会进行对象的逃逸分析，即方法中的对象是否会在方法外使用如果被其它方法使用了，则该对象是逃逸的对于非逃逸对象，JVM会茬栈上直接分配对象（所以对象不一定是在堆上分配的）线程获取对象会更加快速，同时当方法返回时由于栈帧被抛弃，也有利于对潒的垃圾收集Server模式还会通过分析去除一些不必要的同步，感兴趣的同学可以研究一下Sun JDK 6引入的Biased

此外执行引擎也必须保证线程安全性，因洏JMM（Java Memory Model）也是由执行引擎确保的