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)。
- 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。
- Extension ClassLoader – 负责加载ext文件夹中的类(jrelib).
- 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)
- 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。
- 准备(Prepare) – 对于所有静态变量,将使用默认值分配内存。
- 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:
- 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。
- 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
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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
- 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。