【JVM】运行时数据区 && JVM 运行流程 && 类加载 Class Loading && 双亲委派模型

Ⅰ. 运行时数据区（内存布局）

一个 Java 程序对应一个 JVM，而一个 JVM 对应一套数据区！

1. 程序计数器（PC Register）：这只是一个很小的内存空间，保存着下一条执行的指令的地址。
   1. 它是 每个线程私有 的，属于线程隔离的数据。
   2. 如果正在执行的是 native 方法，则这个值是未定义的。
   3. 它的存在是为了解决线程切换后能恢复到正确的执行位置，因此对多线程执行非常关键。
2. 虚拟机栈（JVM Stack）：存放了方法调用的关系。
   1. 虚拟机栈是线程私有的。
   2. JVM 栈中每一个元素，称为栈帧（Stack Frame），每个方法在调用时都会创建一个新的栈帧。比如：局部变量，当方法运行结束后，栈帧就被销毁了，即栈帧中保存的数据也被销毁了。
   3. JVM 会抛出如 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError，都和该区域有关。
   4. 栈帧中包含：
      • 局部变量表
      • 操作数栈
      • 动态连接
      • 方法返回地址
      • 其他信息，保存的都是与方法执行时相关的一些信息。

3. 本地方法栈（Native Method Stack）：用于支持 Native 方法的调用。

1. 本地方法栈是线程私有的。
2. 本地方法栈与虚拟机栈的作用类似，只不过保存的内容是 Native 方法的局部变量。
3. 底层是 C/C++ 实现的。
4. 在有些版本的 JVM 实现中（例如HotSpot），本地方法栈和虚拟机栈是一起的。

4. 堆（Heap）：JVM 中最大的内存区域，保存使用 new 创建的对象实例。

1. 堆是线程共享的。
2. 堆的生命周期：堆是随着程序开始运行时而创建，随着程序的退出而销毁，堆中的数据只要还有在使用，就不会被销毁。
3. 堆是垃圾回收器的主要工作场所。
4. 堆细分为：新生代（一个Eden、两个Survivor） 和 老年代
5. 堆中每个对象不只是包含字段值，在每个对象的开头还保存了对象头结构，用来管理对象运行时信息的元数据容器，每个 Java 对象在内存中分为三部分：
   • 对象头（Header）：存储锁状态、GC 分代年龄、哈希码等
   • 实例数据（Instance Data）：对象的字段值
   • 对齐填充（Padding）：补齐内存对齐

5. 方法区 (Method Area）：存储类的元数据信息（对象实例存放在堆中，方法区只是存放类的元数据）

1. 方法区是线程共享的。
2. Java8 以后，方法区 -> 元空间，从原来的 "堆内存" 中移到 "本地内存" 中。

+-------------------------------+
| 操作系统分配的总内存（物理RAM）|
+-------------------------------+
         |           |
         |           +------------------+
         |                              |
+--------v------+        +--------------v------------------+
| JVM 管理区域   |        | JVM 外部使用但不直接管理（本地内存）|
|               |        |                                 |
|  - 堆（heap）  |        |  - 元空间（Metaspace）           |
|  - 栈（stack） |       |   - DirectBuffer / JNI 内存      |
|  - 程序计数器  |        |  - JIT 编译缓存 / 线程内部结构    |
+--------------+        +----------------------------------+

1. 存储内容包括：
   • 类的结构信息（字段、方法、接口、访问修饰符等等）
   • 静态变量
   • 运行时常量池（字面量、符号引用）
   • JIT 编译后的代码（在某些实现中）

Ⅱ. JVM 运行流程

⭐ 大致流程

JVM 执行流程大概如下所示：

口诀：编译成 class，加载做五步，解释+JIT，运行靠内存，回收靠 GC。

一、类加载（Class Loading）

类加载是 JVM 把 .class 文件（字节码）加载进内存，并在内存中生成一个 Class 对象的 全过程，包括下面三个主要阶段：

1. 加载：通过类加载器把字节码读进来，生成 Class 对象。
2. 链接：分为验证、准备、解析三个子阶段。
3. 初始化：执行 <clinit> 静态代码块和静态变量赋值。

二、执行引擎（Execution Engine）

JVM 核心部件，负责执行字节码：

• 解释执行：将字节码一行一行解释为机器指令。
• 即时编译（JIT）：将热点代码编译为本地机器码，提高性能。

三、运行时数据区（Runtime Data Area）

JVM 内存模型，运行时管理所有数据：

四、本地接口（Native Interface）

JVM 可以调用本地语言（如 C、C++）写的函数，依赖 JNI（Java Native Interface）。

五、垃圾回收（Garbage Collection, GC）

• 自动管理堆内存，回收无用对象
• 分代回收：新生代、老年代
• 常见算法：标记-清除、复制、标记-整理等

Ⅲ. 类加载 Class Loading

一个类在什么时候触发 "加载" 呢❓❓❓ ① 构造某个类的实例时 ② 调用类的静态方法/静态成员时 ③ 使用子类时，也会触发父类的加载

对于一个类来说，它的生命周期是这样子的：

其中前五步是固定的顺序，也是类加载的过程！

一、类加载过程 ≠ 只有加载

1. 加载（Loading）（ClassLoader 参与）
   1. JVM 根据类的 "全限定名"，委托给类加载器去加载该类，并遵循 双亲委派模型
   2. 然后类加载器从 .class 文件中读取字节流
   3. 最后 JVM 将字节流解析为 Class 对象，放入方法区中（这不等于立即解析所有内容）

   此时：

   1. 还没有分配静态变量的初始值
   2. 也没有解析符号引用

2. 验证（Verification）

1. 确保类的字节码是合法的，防止恶意代码执行：
   • 文件格式验证（确保这是一个 "能看懂" 的 .class 文件，不是乱写的二进制）
   • 元数据验证（确保类的结构层次是 "符合 Java 语义的"）
   • 字节码验证（防止非法操作、恶意字节码，比如篡改局部变量、栈顶数据，JVM 崩溃）
   • 符号引用验证（为解析阶段提前做准备，避免运行时解析失败）

3. 准备（Preparation）

1. 为类的 静态变量 分配内存，并设置 默认初始值。比如 static int a = 10; 只分配内存，初始化为默认值 0，而还没到赋值为 10 的阶段。

4. 解析（Resolution）

1. 将常量池中的 符号引用（如类名、字段名）转换为实际的 直接引用（内存地址），即对常量进行初始化。

5. 初始化（Initialization）

1. 执行类的构造方法（类构造器），即静态变量赋值、静态代码块执行等。

二、.class 文件的结构

.class 文件是一个 以字节为单位的严格二进制格式 的结构体，包含类的所有元信息、方法字节码、常量池等。如下所示：

ClassFile {
    u4 magic;                        // 魔数，标识文件的类型
    u2 minor_version;                // 次版本号
    u2 major_version;                // 主版本号
    
    u2 constant_pool_count;          // 常量池数量
    cp_info constant_pool[];         // 常量池，包括字符串、类名、方法名、字段名等，最核心的部分
    
    u2 access_flags;                 // 访问标志（public, abstract, final等）
    
    u2 this_class;                   // 当前类的索引（指向常量池）
    u2 super_class;                  // 父类索引（指向常量池）
    
    u2 interfaces_count;             // 实现接口数量
    u2 interfaces[];                 // 接口表
    
    u2 fields_count;                 // 字段数量
    field_info fields[];             // 字段表
    
    u2 methods_count;                // 方法数量
    method_info methods[];           // 方法表
    
    u2 attributes_count;             // 属性数量
    attribute_info attributes[];     // 属性表（如源码信息、注解、行号表等）
}

三、类加载器

类加载器（ClassLoader）是类加载机制的核心，本质上就是一个 "负责读取类的字节流并交给 JVM 转换为 Class 对象" 的工具。

JVM 提供了 三种主要的类加载器：

四、双亲委派模型（Parent Delegation Model）

在类加载的加载阶段，JVM 会根据类的全限定名，通过类加载器加载该类。类加载器在加载类时默认遵循 "双亲委派模型"，即优先让父类加载器尝试加载类，只有在父加载器无法加载时，才由当前加载器尝试加载。

原则：从下往上委托，然后先父后子，从上往下加载。

过程如下所示：

1. 当前类加载器先将请求委托给父类加载器，注意是层层委托上去，直到最高层加载器。
2. 然后从最高层父类加载器开始加载 class 文件，如果加载不到，则一层一层往下尝试是否能进行加载。

这样子做是为了保证：

1. java.lang.Object、String 这类核心类一定由 启动类加载器 加载，避免用户自定义的类覆盖核心类，提升安全性。
   1. 比如用户伪造了一个 java.lang.String，但加载器是从上往下的，此时会先加载父类中的 java.lang.String，而不会加载到用户伪造的那个版本！
2. 双亲委派可以避免同一个基础类被多个子类加载器各自加载，从而在 JVM 中产生多份 Class 对象，保证核心类在整个系统中的唯一性和类型一致性。