了解JVM体系架构

Posted 2021-04-17 一起学IT

每个Java码农都知道字节码将由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，它分析字节码，解释代码并执行它。 作为码农，我们应该了解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体系结构以及JVM的不同组件。

什么是JVM？

虚拟机是物理机的软件实现。 Java是在WORA（Write Once Run Anywhere）的概念下开发的，它在VM上运行，之所以能够一次编译到处运行是建立在VM之上的、而各操作系统的JVM又所不同，但是JVM内部架构是一致的。 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，该文件加载并执行类文件。 下面是JVM的体系结构图：

JVM如何工作的？

如上面的架构图所示，JVM分为三个主要子系统：

1. Class Loader Subsystem （类加载器子系统）

2. Runtime Data Area （运行时数据区）

3. Execution Engine （执行引擎）

1.Class Loader Subsystem

Java的动态类加载功能由类加载器子系统处理。 它加载，链接。 并在类运行时第一次引用类时初始化类文件，而不是编译时。

1.1加载

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。

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。

Extension ClassLoader  - 负责加载ext文件夹（jre\lib）中的类。

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

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。

准备 - 对于所有静态变量，将分配内存并为其分配默认值。

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

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.Runtime Data Area

运行时数据区分为5个主要组件：

Method Aera 方法区域 - 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。

Heap Area 堆区域 - 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。

Stack Area 堆栈区域 - 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：

Local Avarible Array 局部变量数组 - 与方法有关，涉及多少局部变量，相应的值将存储在此处。

Operand Stack 操作数堆栈 - 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。

Frame Data 帧数据 - 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。

Native Method Stack 本地方法堆栈 -  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.Execution Engine

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。

Interpreter 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，当一个方法被多次调用时，每次需要新的解释时。

JIT Compiler JIT编译器 -  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。

Intermediate Code generator 中间代码生成器 - 生成中间代码

Code Optimizer 代码优化器 - 负责优化上面生成的中间代码

Target Code Generator 目标代码生成器 - 负责生成机器代码或本机代码

Profiler  - 一个特殊组件，负责查找热点，即是否多次调用该方法。

Garbage Collector 垃圾收集器：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，但不保证执行。 JVM的垃圾收集收集创建的对象。

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

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