JVM 架构解读

Posted 2020-08-15

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每个Java开发人员都知道字节码由JRE（Java运行时环境）执行。但许多人不知道JRE是Java Virtual Machine（JVM）的实现，它分析字节码，解释代码并执行它。作为开发人员，我们应该知道JVM的架构是非常重要的，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架构和JVM的不同组件。

什么是JVM？

Virtual Machine是物理机器的软件实现。Java是用在VM上运行的WORA（Write Once Run Anywhere）概念而开发的。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，JVM会加载并执行类文件。下面是JVM的架构图。

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。它在运行时，而不是编译时首次引用类的时候加载、链接、并初始化类文件。

1.1加载

类将通过此组件加载。Boot Strap Class Loader，Extension Class Loader和Application Class Loader是有助于实现的三个类加载器。

1. Boot Strap Class Loader——负责加载来自于Bootstrap类路径的类，就是rt.jar。此加载程序将给予最高优先级。
2. Extension Class Loader——负责加载在ext文件夹（jre \ lib）内的类。
3. Application Class Loader——负责加载应用程序级类路径，路径提到环境变量等

上面的类记载器在加载类文件时遵循Delegation Hierarchy 算法。

1.2链接

1. 验证——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verification error。
2. 准备——对于所有的静态变量，内存将被分配和配置默认值。
3. 解决——所有的符号存储器引用都将替换为来自Method Area的原始引用。

1.3初始化

这是类加载的最后阶段，这里所有的静态变量都将被赋予原始值，并执行静态块。

2.运行时数据区

运行时数据区分为5个主要组件：

方法区——所有的类级别数据将存储在这里，包括静态变量。每个JVM只有一个方法区，并且它是一个共享资源。

堆区域——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也有一个堆区域。由于方法和堆区域共享多个线程的内存，因此所存储的数据非线程安全。

堆栈区——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，因为它不是共享资源。堆栈帧分为三个子元素：

1. 局部变量数组——与方法相关，涉及局部变量以及将在此存储的相应值的多少。
2. 操作数堆栈——如果需要执行任何中间操作，那么操作数堆栈将充当运行时工作空间来执行操作。
3. 帧数据——对应于方法的所有符号存储在此处。在任何异常的情况下，捕捉块信息将被保持在帧数据中。

PC寄存器——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，一旦指令执行，PC寄存器将更新到下一条指令。

本地方法堆栈——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它。

解释器——解释器解释字节码较快，但执行慢。解释器的缺点是当一个方法被多次调用时，每次都需要新的解析。

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，它使用JIT编译器，编译器会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，从而提高系统性能。

1. 中间代码生成器——生成中间代码
2. 代码优化器——负责优化上面生成的中间代码
3. 目标代码生成器——负责生成机器代码或本地代码
4. 分析器——一个特殊组件，负责查找热点，即该方法是否被多次调用。

垃圾收集器：收集和删除未引用的对象。可以通过调用“System.gc（）”触发垃圾收集器，但不能保证执行。JVM的垃圾回收收集创建的对象。

Java本机接口（JNI）：JNI将与本地方法库进行交互，并提供执行引擎所需的本地库。

本地方法库：它是执行引擎所需的本地库的集合。

 

译文链接：http://www.codeceo.com/article/jvm-architecture-explained.html
英文原文：The JVM Architecture Explained
翻译作者：码农网 – 小峰
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