認識Java虛擬機器中的類載入子系統和執行引擎
目錄
一. JVM整體架構
JVM（Java虛擬機器）是一套以軟體方式模擬具有完整硬體系統功能，執行在一個完全隔離環境中的完整計算機系統，是物理機的軟體實現。
1. 目前主流的JVM有以下幾類
- Sun HotSpot VM（2010年被Oracle收購）
- BEA JRockit VM（2008年被Oracle收購）
- IBM J9 VM
- Azul VM
- Apache Harmony
- Google Dalvik VM
- Microsoft JVM
2. JVM由三個主要子系統組成
- 類載入子系統（Class Loader）
- 執行時資料區（Runtime Data Area）
- 執行引擎（Execution Engine）
二. JVM類裝載子系統
（一）類載入過程
類載入：類載入器查詢class檔案並載入到虛擬機器記憶體，並對資料進行校驗、轉換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機器直接使用的Java型別資料的過程。
1. 載入：從硬碟查詢並通過IO讀入位元組碼檔案
2. 連結：執行驗證、準備、解析步驟
- 驗證：校驗位元組碼檔案的正確性
- 準備：給類的靜態變數分配記憶體空間，並賦予預設值：Integer=0、string=NULL、Boolean=false...
- 解析：類載入器載入類所引入的其他所有類
3. 初始化：對類中靜態變數初始化為指定的值，並執行靜態程式碼塊
（二）類載入器
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啟動類載入器（Bootstrap ClassLoader）：使用C++實現（僅限於HotSpot），是虛擬機器自身的一部分。負責JRE核心類庫${JRE_HOME}/lib目錄下的類包（如rt.jar、charsets.jar等。）載入到虛擬機器中，其無法被Java程式直接引用。
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擴充套件類載入器（Extention ClassLoader）：由ExtClassLoader實現，負責載入JRE擴充套件目錄${JRE_HOME}/lib/ext下的所有類庫，開發者可以直接使用。
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應用程式類載入器（Application ClassLoader）：由APPClassLoader實現。負責載入使用者類路徑classpath下所指定的類庫。
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使用者自定義類載入器（Custom ClassLoader）：負責載入使用者自定義路徑下的類包，很少使用。
參考下方示例
（三）類載入機制
1. 全盤負責委託機制
當一個ClassLoader載入一個類時，除非顯式地使用另一個ClassLoader，否則該類所依賴和引用的類也由這個ClassLoader載入。
2. 雙親委派機制（Parents Delegation Model）
當一個ClassLoader載入目標類時，它首先將載入請求委託給父類載入器（或上級類載入器）嘗試載入，當父類載入器無法完成載入（ClassLoader在自己的搜尋範圍內找不到目標類）時，子類載入器才會嘗試自己去載入目標類。
3. 雙親委派機制的優勢
- 沙箱安全機制：我們自定義的String.class類不會被載入，防止了核心類庫被篡改。
- 避免類的重複載入：當父類載入器載入了目標類後，就沒必要讓子類載入器再重複載入同一個類。
- JVM對類的載入方式是按需載入，也就是在執行期間動態載入，驗證的方式見下方示例，注意在啟動時載入引數：-verbose:class。
三. JVM執行引擎
執行引擎：讀取執行時資料區的Java位元組碼並逐個執行。
（一）時編譯器（JIT編譯器）
Java程式最初是通過直譯器進行解釋執行的，當虛擬機發現某個方法或程式碼塊的執行特別頻繁，就會把這些程式碼認定為“熱點程式碼”（Hot Spot Code）。
為了提高熱點程式碼的執行效率，在執行時，虛擬機器將會把這些程式碼編譯成與本地平臺相關的機器碼，並進行各種層次的優化，完成這個任務的編譯器成為即時編譯器（Just In Time Compiler，JIT編譯器）。
（二）直譯器和編譯器
許多主流的商用虛擬機器，都同時包含直譯器和編譯器。
- 當程式需要快速啟動和執行時，直譯器首先發揮作用，省去編譯的時間，立即執行。
- 當程式執行後，隨著時間的推移，編譯器逐漸發揮作用，把越來越多的程式碼編譯成原生代碼，可以提高執行效率。
如果記憶體資源限制較大（部分嵌入式系統），可以使用解釋執行節約記憶體，反之可以使用編譯執行來提升效率。同時編譯器的程式碼還能退回成直譯器的程式碼。