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。