从宏观角度了解JVM

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,它分析字节码,解释代码并执行它。

作为开发人员,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?

一个虚拟机是一个软件实现物理机。Java是在WORA(随时随地运行)的概念下开发的, 它在VM上运行。该编译器 编译Java文件转换成一个Java 的.class文件,则该.class文件输入到JVM,它加载并执行类文件。下面是JVM的体系结构图。

JVM架构图

在这里插入图片描述

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。

  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

  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

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

运行时数据区分为5个主要组件:

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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:

    1. 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。
    2. 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。
    3. 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。
  4. PC寄存器 - 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.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,当一个方法被多次调用时,每次需要新的解释时。

  2. 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。

    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: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。

本机方法库:这是执行引擎所需的本机库的集合。

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