大家好，我是沉默王二，一个和黄家驹一样身高，和刘德华一样颜值的程序员。本篇文章通过我和三妹对话的形式来谈一谈“究竟什么是 JVM”。

教妹学 Java，没见过这么有趣的标题吧？“语不惊人死不休”，没错，本篇文章的标题就是这么酷炫，接受不了的同学就别点进来看了，所谓好奇心害死猫；能够接受的同学我只能说你赚到了，你不仅能在阅读的过程中感受到思维的乐趣，还真的能学习到知识。下面就由我来介绍一下故事的背景吧。

我有一个漂亮如花的妹妹（见上图），她叫什么呢？我想聪明的读者朋友们都能猜得出：沉默王三，没错，年方三六。父母正考虑让她向我学习，做一名正儿八经的 Java 程序员。我期初是想反抗的，因为程序员这行业容易掉头发。但家命难为啊，与其反抗，不如做点更积极的事情，写点有趣的文章，教妹妹如何更快地掌握 Java 这门编程语言。毕竟程序员还算得上高薪（都是拿命换的啊）。

（铺垫结束，正文开始）

“二哥，最近疫情闹得人心惶惶，无心学习了，怎么办？”

“三妹啊，你要知道，历史上经历过无数次的动荡与不安，但最后，都挺过去了。有人破坏，有人修复。安安心心学习，疫情过后肯定能够派上大用场，到时候经济复苏，人才亟需，懂吗？”

“二哥，说话就是不一样，一句话就安抚了我不安的心情。”

“那还不开始今天的主题？”

“二哥，上一篇文章中你给我解释了什么是 JDK，JRE 和 JVM，但我想知道 JVM 究竟是什么，它能干什么事。”

“三妹啊，搬个凳子坐我旁边，听二哥来给你慢慢说啊。”

01、什么是 JVM

再来回顾一下。JVM（Java Virtual Machine）俗称 Java 虚拟机。之所以称为虚拟机，是因为它实际上并不存在。它提供了一种运行环境，可供 Java 字节码在上面运行。

02、JVM 能做什么

JVM 提供了以下操作：

• 加载字节码
• 验证字节码
• 执行字节码
• 提供运行时环境

JVM 定义了以下内容：

• 存储区
• 类文件格式
• 寄存器组
• 垃圾回收堆
• 致命错误报告等

03、JVM 的内部结构

我们来尝试理解一下 JVM 的内部结构，它包含了类加载器（Class Loader）、运行时数据区（Runtime Data Areas）和执行引擎（Excution Engine）。

1）类加载器

类加载器是 JVM 的一个子系统，用于加载类文件。每当我们运行一个 Java 程序，它都会由类加载器首先加载。Java 中有三个内置的类加载器：

• 启动类加载器（Bootstrap Class-Loader），加载 jre/lib 包下面的 jar 文件，比如说常见的 rt.jar（包含了 Java 标准库下的所有类文件，比如说 java.lang 包下的类，java.net 包下的类，java.util 包下的类，java.io 包下的类，java.sql 包下的类）。

• 扩展类加载器（Extension or Ext Class-Loader），加载 jre/lib/ext 包下面的 jar 文件。

• 应用类加载器（Application or App Clas-Loader），根据程序的类路径（classpath）来加载 Java 类。

一般来说，Java 程序员并不需要直接同类加载器进行交互。JVM 默认的行为就已经足够满足大多数情况的需求了。不过，如果遇到了需要和类加载器进行交互的情况，而对类加载器的机制又不是很了解的话，就不得不花大量的时间去调试
ClassNotFoundException 和 NoClassDefFoundError 等异常。

对于任意一个类，都需要由它的类加载器和这个类本身一同确定其在 JVM 中的唯一性。也就是说，如果两个类的加载器不同，即使两个类来源于同一个字节码文件，那这两个类就必定不相等（比如两个类的 Class 对象不 equals）。

三妹啊，是不是有点晕，来来来，通过一段简单的代码了解下。

public class Test {
    

	public static void main(String[] args) {
    
		ClassLoader loader = Test.class.getClassLoader();
		while (loader != null) {
    
			System.out.println(loader.toString());
			loader = loader.getParent();
		}
	}

}

每个 Java 类都维护着一个指向定义它的类加载器的引用，通过 类名.class.getClassLoader() 可以获取到此引用；然后通过 loader.getParent() 可以获取类加载器的上层类加载器。

上面这段代码的输出结果如下：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4617c264

第一行输出为 Test 的类加载器，即应用类加载器，它是 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 类的实例；第二行输出为扩展类加载器，是 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 类的实例。那启动类加载器呢？

按理说，扩展类加载器的上层类加载器是启动类加载器，但在我这个版本的 JDK 中， 扩展类加载器的 getParent() 返回 null。所以没有输出。

2）运行时数据区

运行时数据区又包含以下内容。

• PC寄存器（PC Register），也叫程序计数器（Program Counter Register），是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的信号指示器。

• JVM 栈（Java Virtual Machine Stack），与 PC 寄存器一样，JVM 栈也是线程私有的。每一个 JVM 线程都有自己的 JVM 栈，这个栈与线程同时创建，它的生命周期与线程相同。

• 本地方法栈（Native Method Stack），JVM 可能会使用到传统的栈来支持 Native 方法（使用 Java 语言以外的其它语言［C语言］编写的方法）的执行，这个栈就是本地方法栈。

• 堆（Heap），在 JVM 中，堆是可供各条线程共享的运行时内存区域，也是供所有类实例和数据对象分配内存的区域。

• 方法区（Method area），在 JVM 中，被加载类型的信息都保存在方法区中。包括类型信息（Type Information）和方法列表（Method Tables）。方法区是所有线程共享的，所以访问方法区信息的方法必须是线程安全的。

• 运行时常量池（Runtime Constant Pool），运行时常量池是每一个类或接口的常量池在运行时的表现形式，它包括了编译器可知的数值字面量，以及运行期解析后才能获得的方法或字段的引用。简而言之，当一个方法或者变量被引用时，JVM 通过运行时常量区来查找方法或者变量在内存里的实际地址。

3）执行引擎

执行引擎包含了：

• 解释器：读取字节码流，然后执行指令。因为它一条一条地解释和执行指令，所以它可以很快地解释字节码，但是执行起来会比较慢。

• 即时（Just-In-Time，JIT）编译器：即时编译器用来弥补解释器的缺点，提高性能。执行引擎首先按照解释执行的方式来执行，然后在合适的时候，即时编译器把整段字节码编译成本地代码。然后，执行引擎就没有必要再去解释执行方法了，它可以直接通过本地代码去执行。执行本地代码比一条一条进行解释执行的速度快很多。编译后的代码可以执行的很快，因为本地代码是保存在缓存里的。

04、鸣谢

本篇文章为《教妹学Java》专栏的第七篇文章，是不是有趣得很？我相信你能感受的到，这可是全网独一份，我看到已经有人在模仿了。现在定价只需 9.9 元，9.9 元你连一杯奶茶都买不到，但却能买下二哥精心制作的专栏，据说 CSDN 已经考虑涨价了，毕竟已经卖出一百多份了。

我知道，购买专栏的同学都是冲着二哥的名声来的，毕竟二哥是 CSDN 的明星博主，哈哈。为表谢意，我再附送上个人微信（qing_gee），你有什么问题都可以来咨询。

上一篇回顾：教妹学Java(六)：JDK，JRE和JVM之间有什么区别？

PS：本篇文章中的示例代码已经同步到 GitHub，地址为 itwanger.JavaPoint，欢迎大家 star 和 issue。

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