Java开发必备技能——Java虚拟机

Posted 2021-04-30 Java联盟

不知道小伙伴们对于Java虚拟机这个概念了解多少呢？今天我们就来了解并且学习一下吧~

首先，我们要明确一点，我们为什么要学习Java虚拟机呢？学习Java虚拟机有什么好处？

C++程序编译后可直接运行于物理机CPU上，而Java程序则不同，它是运行在Java虚拟机上。写C++程序的时候，程序员需要自己分配内存和回收内存，一不小心很容易出现内存泄漏错误。写Java程序则不必担心内存的分配和回收，内存的分配和回收全权由Java虚拟机代理，大大降低了内存泄漏的机率。

日常Java开发中，一旦出现OutOfMemory错误，如果对Java虚拟机不熟悉的话，就很难下手调试这个问题。只能对着BUG搔首挠耳，百思不得其解了。所以学习Java虚拟机就很有必要。

而且在我看来学会JVM有以下几个好处：

• 一览无余地看到Java代码是如何运行的

• 能够清晰的了解并解决内存溢出、内存泄漏问题

• 了解Java程序是如何被执行且优化的

Java虚拟机概念

Java虚拟机（Java Virtual Machine 简称JVM）是运行所有Java程序的抽象计算机，Java虚拟机有自己完善的硬体架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。Java虚拟机屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使得Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。

Java虚拟机特点

Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行，至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。

Java语言使用模式Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

在Java运行阶段，获取到保存的.class字节码文件以及源程序中引用的类库Java API的字节码文件，然后通过类装载器（Class Loader）将这些文件一并装载到内存缓冲区，接着Java虚拟机开始执行这些文件并生成目标代码（字节码）。

由于Java虚拟机可以将字节码程序跟具体的操作系统及硬件平台分割开来，只要各平台实现了Java虚拟机，任何Java程序就可以在其上面运行了。

JVM 具体是如何工作的?

JVM被划分为三个主要的子系统：

• 类装载子系统（Class Loader Subsystem）

• 运行时数据区（Runtime Data Area）

• 执行引擎（Execution Engine）

类装载子系统

Java的动态类装载功能由类装载子系统来实现。它可以装载，链接，还有当它在运行时（而不是编译时）第一次引用类时，进行初始化类文件。

装载：这个组件功能是加载类。总共有三种类装载器：

Boot Strap class Loader：负责从 bootstrap classpath加载类，在基础类库rt.jar中，具有最高的优先级类装载器。

Extension class Loader：负责加载ext文件夹(jrelib)中的类。

Application class Loader：负责加载应用程序级类Class Path、Path和环境变量等。

上面的类加载器在加载类文件时，将遵循 Delegation Hierarchy Algorithm 算法。

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，我们将得到验证错误。

准备Prepare：对于所有静态变量，内存将被分配并分配默认值。

解析Resolve：所有符号内存引用都替换为来自方法区域的原始引用。

初始化Initialization

这是类装载的最后一个阶段，在这里所有静态变量都将被赋与原始值，静态代码块将被执行。

运行时数据区

运行时数据区域分为5个主要部分:

方法区域（Method Area）：所有的类级别数据都将存储在这里，包括静态变量。每个JVM只有一个共享的方法区域。

堆区域 （Heap Area）：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，所以堆区存储的数据并不是线程安全的。

栈区域（Stack Area）：对于每个线程，将创建一个单独的运行时栈。对于每个方法调用，将在堆栈内存中创建一个条目，称为堆栈帧（Stack Frame）。所有本地变量都将在栈内存中创建。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：

局部变量数组（Local Variable Array）：与方法相关的局部变量以及相应的值将存储在这里。

操作数堆栈（Operand stack） –如果需要执行任何中间操作，操作数堆栈作为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。异常处理中，Catch块信息将在框架数据中维护。

本地方法栈（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。

执行引擎

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它。

Interpreter：解释器解释字节码很快，但执行缓慢。解释器的缺点是，当一个方法被多次调用时，每次都需要新的解释。

JIT Compiler：JIT编译器消除了解释器的缺点。执行引擎将使用解释器的帮助来转换字节代码，但是当它发现重复的代码时，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。这种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：生成中间代码

Code Optimizer：负责优化上面生成的中间代码

Target Code Generator：负责生成机器代码或本机代码

Profiler：一种特殊的组件，负责查找hotspots，即该方法是否被多次调用。

垃圾回收：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，但不会立即执行（执行时机由GC决定）。JVM的垃圾回收收集已创建的对象。

Java Native Interface (JNI)：JNI将与本地的方法库交互并为执行引擎提供所需的本地库。

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

 

今天的文章就到这啦

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