JVM架构解释

翻译自：https://dzone.com/articles/jvm-architecture-explained

每个Java开发人员都知道字节码将由JRE（Java运行时环境）执行。但许多人不知道JRE是Java虚拟机（JVM）的实现，它先分析字节码，解释代码，并在最后执行它。作为开发人员，我们应该了解JVM的体系结构，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体系结构以及JVM的不同组件。

什么是JVM？

虚拟机是一种物理计算机的软件实现。Java是在WORA（Write Once Run Anywhere）的概念下开发的， 它在VM上运行。通过编译器 将Java文件编译转换成一个.class文件，然后将该.class文件输入到JVM，它加载并执行.class文件。下面是JVM的体系结构图。

JVM架构图

JVM如何工作？

如上面的架构图所示，JVM分为三个主要子系统：

1. 类加载器子系统
2. 运行时数据区
3. 执行引擎

 

1.类加载器子系统

Java的动态类加载功能由类加载器子系统处理。它加载, 链接，并初始化类文件, 第一次引用类是当它在运行时, 而不是编译时。

1.1加载(Loading)

这个组件将加载类。BootStrap类Loader，Extension类Loader和Application类Loader是三个类加载器，它将有助于实现它。

1. Boot Strap ClassLoader - 负责从引导类路径加载类，只有rt.jar。该装载机将获得最高优先级。
2. Extension ClassLoader - 负责加载ext文件夹（jre \ lib）中的类。
3. Application ClassLoader -负责加载应用程序级别类路径，路径提到环境变量等。

上面的类加载器将在加载类文件时遵循委托层次结构算法。

1.2链接(Linking)

1. 验证 - 字节码验证程序将验证生成的字节码是否正确，如果验证失败，我们将收到验证错误。
2. 准备 - 对于所有静态变量，将分配内存并为其分配默认值。
3. 解决 - 所有符号内存引用都替换为方法区域中的原始引用。

1.3初始化(Initialization)

这是类加载的最后阶段，这里 将为所有静态变量分配原始值，并执行静态块。

 

2.运行时数据区-Runtime Data Area

运行时数据区分为5个主要组件：

1. 方法区域(Method Area) - 所有类级别数据都将存储在此处，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. 堆区域(Heap Area) - 所有对象及其对应的实例变量和数组将存储在此处。每个JVM还有一个堆区域。由于Method和Heap区域共享多个线程的内存，因此存储的数据不是线程安全的。
3. 堆栈区域(Stack Area) - 对于每个线程，将创建单独的运行时堆栈。对于每个方法调用，将在堆栈存储器中创建一个条目，称为堆栈帧。将在堆栈内存中创建所有局部变量。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：
   1. 局部变量数组(Local Variable Array) - 与方法有关，涉及多少局部变量，相应的值将存储在此处。
   2. 操作数堆栈(Operand stack) - 如果需要执行任何中间操作，则操作数堆栈充当运行时工作空间以执行操作。
   3. 帧数据(Frame data) - 此方法存储与该方法对应的所有符号。在任何异常的情况下，捕获块信息将保留在帧数据中。
4. PC寄存器(PC Registers) - 每个线程都有单独的PC寄存器，一旦执行指令就保持当前执行指令的地址，PC寄存器将用下一条指令更新。
5. Native Method stacks- Native Method Stack保存本机方法信息。对于每个线程，将创建单独的本机方法堆栈。

 

3.执行引擎

分配给运行时数据区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. 解释器(Interpreter) - 解释器会更快速地解释字节码, 但执行速度较慢。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编译器(JIT Compiler) - JIT编译器中和了解释器的缺点。执行引擎将使用解释器的帮助来转换字节代码，但是当它找到重复的代码时，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。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。
   1. 中间代码生成器(Intermediate Code generator) - 生成中间代码
   2. 代码优化器(Code Optimizer) - 负责优化上面生成的中间代码
   3. 目标代码生成器(Target Code Generator) - 负责生成机器代码或本机代码
   4. Profiler - 一个特殊组件，负责查找热点，即该方法是否被多次调用。
3. 垃圾收集器(Garbage Collector)：收集和删除未引用的对象。可以通过调用触发垃圾收集System.gc()，但不保证执行。JVM的垃圾收集收集创建的对象。

Java Native Interface（JNI）：JNI将与Native Method Libraries交互，并提供执行引擎所需的本机库。

本机方法库(Native Method Libraries)：这是执行引擎所需的本机库的集合。