JVM的结构

JVM的结构

    从功能上分，Java虚拟机主要由六个部分组成，可以分成三类：
第一类：JVM API：就是我们最常用的Java API，它是开发人员和Java交互的入口，它主要是JAVA_HOME/jre/lib下的运行时类库rt.jar和编译相关的tools.jar

第二类：JVM内部组件
类装载器(ClassLoader)：将Byte Array的 .class文件装载、链接和初始化。
内存管理(Memory Managent)：为对象分配内存，以及释放内存。后者就是垃圾回收Garbage Collector（GC）。由于JVM最复杂的、最影响性能的就是GC，所以内存管理一般就指垃圾回收。
诊断接口(Diagostics Interface)：这主要体现在JVMTI(jdk1.4下的JVMPI和JVMDI)，它主要用来诊断程序的问题和性能，一般提供给工具厂商实现。如eclispe IDE下的debug功能，Jprofiler性能调优工具。
类解释器(Interpreter)：解释装载进虚拟机的class对象，包括JIT等特性相关。

第三类：平台相关接口(Platform Interface)：主要为了跨操作系统平台重用JVM代码，不过，它和我们开发人员关系不大。

    在以上六个组件中，我们开发人员最关心的是ClassLoader和GC，用Java做系统框架、容器和它们密切相关。做业务系统时一些基础代码也和它们打交道，譬如最常用的Class.forName(), Thread.currentThread.getContextClassLoader()。我们仔细想想，为什么是上面两个问题？因为，它和我们 class的整个生命周期最为相关：怎么将一个class和相关class加载进来，class实例什么时候创建，什么时候被销毁？
所以，下面的部分我们要专门讨论这些问题。

ClassLoader

    JVM主要有三类ClassLoader：Bootstrap、Extention、Application，该三类ClassLoader从上到下是分级(hierarchy)结构，遵循代理模型(Delegation Model)。
Tip：大家可以看看sun.misc.Launcher的源码，Bootstrap和Extention就在该文件里。该src可以在sun的网站上下载该压缩包，约60M(jdk-1_5_0-src-scsl.zip)，它不在jdk自带的那个src.zip里。

    Bootstrap ClassLoader：也称为primordial(root) class loader。主要是负责装载jre/lib下的jar文件，当然，你也可以通过-Xbootclasspath参数定义。该ClassLoader不能被Java代码实例化，因为它是JVM本身的一部分。

    Extention ClassLoader：该ClassLoader是Bootstrap classLoader的子class loader。它主要负责加载jre/lib/ext/下的所有jar文件。只要jar包放置这个位置，就会被虚拟机加载。一个常见的、类似的问题是，你将mysql的低版本驱动不小心放置在这儿，但你的Web应用程序的lib下有一个新的jdbc驱动，但怎么都报错，譬如不支持JDBC2.0的 DataSource，这时你就要当心你的新jdbc可能并没有被加载。这就是ClassLoader的delegate现象。常见的有log4j、 common-log、dbcp会出现问题，因为它们很容易被人塞到这个ext目录，或是Tomcat下的common/lib目录。

    Application ClassLoader：也称为System ClassLoaer。它负责加载CLASSPATH环境变量下的classes。缺省情况下，它是用户创建的任何ClassLoader的父 ClassLoader，我们创建的standalone应用的main class缺省情况下也是由它加载(通过Thread.currentThread().getContextClassLoader()查看)。
我们实际开发中，用ClassLoader更多时候是用其加载classpath下的资源，特别是配置文件，如ClassLoader.getResource()，比FileInputStream直接。

ClassLoader是一种分级(hierarchy)的代理(delegation)模型。
Delegation：其实是Parent Delegation，当需要加载一个class时，当前线程的ClassLoader首先会将请求代理到其父classLoader，递归向上，如果该 class已经被父classLoader加载，那么直接拿来用，譬如典型的ArrayList，它最终由Bootstrap ClassLoader加载。并且，每个ClassLoader只有一个父ClassLoader。
Class查找的位置和顺序依次是：Cache、parent、self。
Hierarchy：上面的delegation已经暗示了一种分级结构，同时它也说明：一个ClassLoader只能看到被它自己加载的classes，或是看到其父 (parent) ClassLoader或祖先(ancestor) ClassLoader加载的Classes。
在一个单虚拟机环境下，标识一个类有两个因素：class的全路径名、该类的ClassLoader。

    我碰到的一个典型的例子是：在做WAS的SSO开发时，由于我们的类是由WAS在启动时加载，该ClassLoader比下面的部署的Applicaton的ClassLoader的级别高。所以，在我们自己的类中没法用到应用程序的连接池，必须自建。
代理模型是Java安全模型的保证。譬如，我们自己写一个String.java，并且编译、package到自己的java.lang包下。按照代理模型，当前线程的ClassLoader会将其代理到父ClassLoader，父ClassLoader(最终会是Bootstrap)会找到 rt.jar下的String.class，也就是说我们的String.class不会捣乱。

自定义ClassLoader
    我们前面说过，自定义ClassLoader的缺省父ClassLoader是Application ClassLoader。一般的应用开发用不到它，但我们最好理解。因为在内存泄漏查找、应用程序部署出问题时，很多都和它有关。
譬如，内存泄漏是怎么产生的？这就涉及到ClassLoader和Class的生命周期。我曾经碰到这样一个问题：我们的程序用到了Webwork和 Spring框架，当部署到Tomcat下时没有任何问题，但部署到WAS下，报告找不到Webwork的xml的DTD文件，而且Spring的日志也总是失效。Why？因为解析xml dtd时，用的是IBM的Xerces，不是我们的。而Spring日志问题是因为应用程序用的是WAS的Common-log.jar，而不是我们的。将应用的ClassLoader从默认的Parent-First，改成Parent-Last就可以解决，不过我们项目中用到其它库，又发生了其它问题。

一般来说，用到自定义ClassLoader有三种情况：
1、应用框架可以自己控制Classes的目录，并且自动部署。
我读过Jive公司的Wildfire(著名的即时通讯服务器)，它自己有一套应用框架，非常灵活，遵循该框架插件规范的的第三方的plug-in放置在指定目录可以自动部署，实现某些扩展功能，如文件传输、语音聊天。
2、区分用户代码
这被广泛应用在Servlet容器和类似容器，譬如EJB Container设计中，大家看到Tomcat下有common、server、share三个目录吧(ClassLoader顺序从左到有)，另外也有用户应用的WEB-INF目录，它是我们自己开发的。
3、允许Classes卸载
如果没有自定义的ClassLoader，那么我们自己应用中的classes永远都不能被卸载，因为这些类被Application ClassLoader加载后cache起来了，我们的classes一直对该ClassLoader有引用，而该系统级的ClassLoader永远都不会被卸载，除非JVM shutdown了。JSP和Servlet的动态部署就用到这个特性。

待续.......

Note: 还有JVM运行时(Runtime)架构，ClassLoader加载class过程没有总结，这两部分我觉得太重要了，但内容太多，写不完啊。
这部分内容，《Inside Java Virtual Machine》讲解非常清楚，BEA的官方网站这部分也非常不错，要理解深刻，我建议结合JProfiler工具，非常直观。