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：
- 类装载子系统（Class Loader Subsystem）
- 运行时数据区（Runtime Data Area）
- 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。
- 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。
- Extension ClassLoader – 负责加载ext文件夹(jrelib)中的类。
- 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
- 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。
- 准备Prepare – 对于所有静态变量，内存将被分配并分配默认值。
- 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:
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- Intermediate Code generator – 生成中间代码
- Code Optimizer – 负责优化上面生成的中间代码
- Target Code Generator – 负责生成机器代码或本机代码
- Profiler – 一种特殊的组件，负责查找hotspots，即该方法是否被多次调用。
- 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。