【Java】5分钟读懂Java虚拟机架构

本文阐述了JVM的构成和组件。每个Java开发人员都知道字节码经由JRE（Java运行时环境）执行。但他们或许不知道JRE其实是由Java虚拟机（JVM）实现，JVM分析字节码，解释并执行它。作为开发人员，了解JVM的架构是非常重要的，因为它使我们能够编写出更高效的代码。本文中将快速介绍Java中的JVM架构和JVM的各个组件。

Java虚拟机（JVM）架构

虚拟机是物理机的软件实现。Java的设计理念是WORA（Write Once Run Anywhere，一次编写随处运行）。编译器将Java文件编译为Java .class文件，然后将.class文件输入到JVM中，JVM执行类文件的加载和执行的操作。请看以下的JVM架构图：

JVM是如何工作的？

如上面架构图所示，JVM分为三个主要子系统：

• 类加载器子系统（Class Loader Subsystem）
• 运行时数据区（Runtime Data Area）
• 执行引擎（Execution Engine）

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，处理过程包括加载和链接，并在类文件运行时，首次引用类时就开始实例化类文件，而不是在编译时进行。

1.1 加载
Boot Strap类加载器，Extension类加载器和Application（类加载器是实现类加载过程的三个类加载器。
(1) Boot Strap类加载器：负责从引导类路径加载类，除了rt.jar，它具有最高优先级；
(2) Extension 类加载器：负责加载ext文件夹（jre \ lib）中的类；
(3) Application类加载器：负责加载应用程序级类路径，环境变量中指定的路径等信息。

上面的类装载器在加载类文件时遵循委托层次算法（Delegation Hierarchy Algorithm）。

1.2 链接
(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，将提示验证错误；
(2) 准备（Prepare）：对于所有静态变量，内存将会以默认值进行分配；
(3) 解释（Resolve）：有符号存储器引用都将替换为来自方法区（Method Area）的原始引用。

1.3 初始化
这是类加载的最后阶段，所有的静态变量都将被赋予原始值，并且静态区块将被执行。

2. 运行时数据区

运行时数据区可分为5个主要组件：
(1) 方法区（Method Area）：所有的类级数据将存储在这里，包括静态变量。每个JVM只有一个方法区，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这里。每个JVM也只有一个堆区域。由于方法和堆区域共享多个线程的内存，所存储的数据不是线程安全的；
(3) 堆栈区（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，将在堆栈存储器中产生一个条目，称为堆栈帧。所有局部变量将在堆栈内存中创建。堆栈区域是线程安全的，因为它不共享资源。堆栈框架分为三个子元素：

• 局部变量数组（Local Variable Array）：与方法相关，涉及局部变量，并在此存储相应的值
• 操作数堆栈（Operand stack）：如果需要执行任何中间操作，操作数堆栈将充当运行时工作空间来执行操作
• 帧数据（Frame Data）：对应于方法的所有符号存储在此处。在任何异常的情况下，捕获的区块信息将被保持在帧数据中；

(4) PC寄存器（PC Registers）：每个线程都有单独的PC寄存器，用于保存当前执行指令的地址。一旦执行指令，PC寄存器将被下一条指令更新；
(5) 本地方法堆栈（Native Method stacks）：本地方法堆栈保存本地方法信息。对于每个线程，将创建一个单独的本地方法堆栈。

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：解释器更快地解释字节码，但执行缓慢。解释器的缺点是当一个方法被调用多次时，每次都需要一个新的解释；
(2) JIT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，将使用JIT编译器，它编译整个字节码并将其更改为本地代码。这个本地代码将直接用于重复的方法调用，这提高了系统的性能。JIT的构成组件为：

• 中间代码生成器（Intermediate Code Generator）：生成中间代码
• 代码优化器（Code Optimizer）：负责优化上面生成的中间代码
• 目标代码生成器（Target Code Generator）：负责生成机器代码或本地代码
• 分析器（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“System.gc（）”触发垃圾收集，但不能保证执行。JVM的垃圾回收对象是已创建的对象。
（4）Java本机接口（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。
（5）本地方法库（Native Method Libraries）：它是执行引擎所需的本机库的集合。

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