Java虚拟机JVM架构解析

每个Java开发人员都知道字节码将由JRE (Java运行时环境)运行。但是许多人不知道JRE是Java虚拟机(JVM)的实现,它分析字节码、解释并执行代码。作为开发人员,清楚了解JVM的体系结构非常重要,因为它能让我们更有效地编写代码。在本文中,我们将更深入地了解Java中的JVM架构以及JVM中的各种组件。

什么是JVM?

虚拟机是物理机器的软件实现。Java是用WORA(Write Once Run Anywhere)的概念开发的,它在虚拟机上运行。编译器将Java文件编译成Java .class文件,然后将那个.class文件输入到JVM中,JVM会加载并执行类文件。

下面是JVM的架构图。

JVM 架构图

JVM 是如何工作的?

正如上面的架构图所示,JVM被划分为三个主要的子系统:

  1. 类装载子系统(Class Loader Subsystem)
  2. 运行时数据区(Runtime Data Area)
  3. 执行引擎(Execution Engine)

1. 类装载子系统

Java的动态类装载功能由类装载子系统来实现。它可以装载,链接,还有当它在运行时(而不是编译时)第一次引用类时,进行初始化类文件。

1.1 装载

这个组件功能是加载类。总共有三种类装载器:Boot Strap class Loader, Extension class Loader, 和 Application class Loader。

  1. Boot Strap ClassLoader – 负责从 bootstrap classpath加载类,在基础类库rt.jar中,具有最高的优先级类装载器。
  2. Extension ClassLoader – 负责加载ext文件夹(jrelib)中的类。
  3. Application ClassLoader –负责加载应用程序级类Class Path、Path和环境变量等。

上面的类加载器在加载类文件时,将遵循 Delegation Hierarchy Algorithm 算法。

1.2 链接Linking

  1. 验证Verify – 字节码验证器将验证生成的字节码是否正确,如果验证失败,我们将得到验证错误。
  2. 准备Prepare – 对于所有静态变量,内存将被分配并分配默认值。
  3. 解析Resolve – 所有符号内存引用都替换为来自方法区域的原始引用。

1.3 初始化Initialization

这是类装载的最后一个阶段,在这里所有静态变量都将被赋与原始值,静态代码块将被执行。

2. Runtime Data Area

运行时数据区域分为5个主要部分:

  1. 方法区域(Method Area) –所有的类级别数据都将存储在这里,包括静态变量。每个JVM只有一个共享的方法区域。
  2. 堆区域 (Heap Area) –所有对象及其对应的实例变量和数组都将存储在这里。每个JVM也只有一个堆区域。由于方法和堆区域为多个线程共享内存,所以堆区存储的数据并不是线程安全的。
  3. 栈区域(Stack Area) – 对于每个线程,将创建一个单独的运行时栈。对于每个方法调用,将在堆栈内存中创建一个条目,称为堆栈帧(Stack Frame)。所有本地变量都将在栈内存中创建。栈区域是线程安全的,因为它不是共享资源。

堆栈框架分为三个子实体:

  • 局部变量数组(Local Variable Array) – 与方法相关的局部变量以及相应的值将存储在这里。
  • 操作数堆栈(Operand stack) –如果需要执行任何中间操作,操作数堆栈作为运行时工作区来执行操作。
  • Frame data – 与方法对应的所有符号都存储在这里。异常处理中,Catch块信息将在框架数据中维护。

4、PC Registers – 每一个线程都有单独的PC寄存器,在执行指令后,保存当前执行指令的地址,PC寄存器将随下一个指令进行更新。

5、本地方法栈(Native Method stacks )–本地方法栈保存本地方法的信息。为每一个线程,将创建一个单独的本地方法栈。

3. 执行引擎

分配给运行时数据区域的字节码将由执行引擎执行。执行引擎读取字节码并逐个执行它。

  1. Interpreter – 解释器解释字节码很快,但执行缓慢。解释器的缺点是,当一个方法被多次调用时,每次都需要新的解释。
  2. JIT Compiler – JIT编译器消除了解释器的缺点。执行引擎将使用解释器的帮助来转换字节代码,但是当它发现重复的代码时,它使用JIT编译器,它编译整个字节码并将其更改为本机代码。这种本机代码将直接用于重复的方法调用,从而提高系统的性能。
  3. Intermediate Code generator – 生成中间代码
  4. Code Optimizer – 负责优化上面生成的中间代码
  5. Target Code Generator – 负责生成机器代码或本机代码
  6. Profiler – 一种特殊的组件,负责查找hotspots,即该方法是否被多次调用。
  7. 垃圾回收:收集和删除未引用的对象。可以通过调用“System.gc()”来触发垃圾收集,但不会立即执行(执行时机由GC决定)。JVM的垃圾回收收集已创建的对象。

Java Native Interface (JNI):JNI将与本地的方法库交互并为执行引擎提供所需的本地库。

Native Method Libraries:它是执行引擎所需的本地库的集合。

原文发布于微信公众号 - 程序你好(codinghello)

原文发表时间:2018-07-21

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