JVM架构介绍

每个Java开发人员都知道字节码将由JRE (Java Runtime Environment)执行。但是很多人不知道JRE是Java虚拟机(JVM)的实现，它分析字节码、解释代码并执行代码。作为开发人员，了解JVM的体系结构非常重要，因为它使我们能够更有效地编写代码。

在本文中，我们将更深入地了解Java中的JVM体系结构和JVM的不同组件。

JVM是什么?

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VM上运行。编译器将Java文件编译成Java .class文件，然后将.class文件输入JVM, JVM加载并执行类文件。

JVM的架构图

JVM是如何工作的?

如图所示，JVM分为三个主要子系统:

1.类加载器子系统(ClassLoader Subsystem)

2.运行时数据区(Runtime Data Area)

3.执行引擎(Execution Engine)

1. ClassLoader Subsystem

Java的dynamic class loading功能由ClassLoade子系统处理。它负责加载和链接。在运行时(而不是编译时)首次引用类时初始化类文件。

1.1 加载

类将由该组件加载,BootStrap ClassLoader, Extension ClassLoader和 Application ClassLoader(应用程序类加载器)。

1. BootStrap ClassLoader – 负责从 bootstrap加载类，rt.jar。这个加载程序将获得最高优先级。
2. Extension ClassLoader – 负责加载ext文件夹中的类(jrelib).
3. Application ClassLoader –负责加载应用程序级类路径、环境变量路径等。

上述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，会出现验证错误。
2. 准备(Prepare) – 对于所有静态变量，将使用默认值分配内存。
3. Resolve – 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)

这是类加载的最后阶段;在这里，所有静态变量都将使用原始值赋值，并执行静态块。

2. 运行时数据区域

运行时数据区域分为五个主要组件:

1. Method Area(方法区) – 所有类级数据都将存储在这里，包括静态变量。每个JVM只有一个方法区域，它是一个共享资源。
2. Heap Area(堆区) – 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，因此存储的数据不是线程安全的
3. Stack Area(栈区) – 对于每个线程，将创建一个单独的运行时堆栈。对于每个方法调用，都会在堆栈内存中生成一个条目，称为 Stack Frame。所有本地变量都将在堆栈内存中创建。堆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: Local Variable Array –方法的局部变量及相应的值存储在这里 Operand stack –如果需要执行任何中间操作，操作数堆栈充当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。在任何异常情况下，catch块信息都将保存在frame data中。
4. PC Registers –每个线程将有单独的PC寄存器，以保持当前执行指令的地址一旦指令执行，PC寄存器将更新与下一条指令。
5. 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. 运行引擎(Execution Engine)

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。

1. Interpreter(解释器) –解释器可以快速地解释字节码，但执行速度很慢。解释器的缺点是，当一个方法被多次调用时，每次都需要一个新的解释。
2. JIT Compiler(编译器) – JIT编译器消除了解释器的缺点。执行引擎将在转换字节码时使用解释器的帮助，但是当它发现重复的代码时，它使用JIT编译器，JIT编译整个字节码并将其更改为本机代码。此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(中间代码生成器) –生成中间代码 Code Optimizer(代码优化) – 负责优化生成的中间代码 Target Code Generator(机器代码生成器) – 负责生成机器代码/本机代码 Profiler – 特殊的组件，负责寻找 hotspots，即方法是否被多次调用
3. Garbage Collector(垃圾回收): 收集和删除未引用的对象。可以通过调用System.gc()触发垃圾收集，但不能保证执行。JVM的垃圾收集收集创建的对象。

Java Native Interface (JNI): JNI将与本机方法库进行交互，并提供执行引擎所需的本机库。

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