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JVM 架構—JVM 內部是如何工作的？

來源：責編：時間：2023-10-08 07:05:47 304觀看

導讀什么是虛擬機？JVM（Java Virtual Machine）：它是一個引擎，為Java應用程序提供運行時環境，并負責轉換通過編譯（.java文件）生成的字節碼（.class文件）。JVM 是 Java 運行時環境 (JRE) 的一部分。Java 應用程序稱為 WORA（Write Once Ru

什么是虛擬機？

JVM（Java Virtual Machine）：它是一個引擎，為Java應用程序提供運行時環境，并負責轉換通過編譯（.java文件）生成的字節碼（.class文件）。JVM 是 Java 運行時環境 (JRE) 的一部分。

JVM分為三個主要的子系統：

類加載器
運行時數據區（內存區）
執行引擎

1、類加載器：

ClassLoader 是 Java 運行時環境 (JRE) 的一部分，可將 Java 類文件從文件系統、網絡或任何其他來源動態加載到 Java 虛擬機中。它分為三個主要階段：

加載中
鏈接
初始化

（1）加載：

是負責從各種資源（例如文件系統、jar 文件、網絡套接字）將字節代碼（.class 文件）加載到內存中的部分。

Load階段涉及三種不同類型的ClassLoader：

Bootstrap Class Loader： 它加載 JDK 內部類。它加載rt.jar和其他核心類，例如 java.lang.* 包類。
擴展類加載器： 它從 JDK 擴展目錄加載類，通常是$JAVA_HOME/lib/ext目錄。
應用程序類加載器： 它從當前類路徑加載類。我們可以在使用 -cp 或 -classpath 命令行選項調用程序時設置類路徑。

ClassLoader 在 Java 中是如何工作的

當JVM 請求一個類時，它通過傳遞類的完全分類名稱來調用java.lang.ClassLoader 類的loadClass() 方法。loadClass() 方法調用 findLoadedClass() 方法來檢查該類是否已經加載。需要避免多次加載類。

如果該類未加載，它將請求委托給父 ClassLoader 以加載該類。如果 ClassLoader 沒有找到類，它會調用 findClass() 方法在文件系統中查找類。下圖顯示了 ClassLoader 如何使用委托在 Java 中加載類。

假設我們有一個特定于應用程序的類 Student.class。加載此類文件的請求將傳輸到 Application ClassLoader。它委托給它的父擴展類加載器。此外，它委托給 Bootstrap ClassLoader。Bootstrap 在 rt.jar 中搜索該類，因為該類不存在。現在請求傳輸到 Extension ClassLoader，它搜索目錄 jre/lib/ext 并嘗試在其中找到此類。如果在此處找到該類，Extension ClassLoader 將加載該類。Application ClassLoader 從不加載該類。當擴展 ClassLoader 不加載它時，Application ClaasLoader 從 Java 中的 CLASSPATH 加載它。

可見性原則是說子ClassLoader可以看到父ClassLoader加載的類，反之則不然。這意味著如果 Application ClassLoader 加載 Student.class，在這種情況下，嘗試使用 Extension ClassLoader 顯式加載 Student.class 會拋出
java.lang.ClassNotFoundException。

（2）鏈接：

主要分為三個階段：

驗證：它確保.class文件（字節碼）的正確性，即它檢查此文件是否正確格式化并由有效的編譯器生成，以及是否與 JVM 類規范兼容。如果驗證失敗，我們會得到運行時異常 java.lang.VerifyError。此活動由組件ByteCodeVerifier完成。完成此活動后，類文件就可以編譯了。
準備：準備包括為類或接口創建靜態字段并將這些字段初始化為其默認值。這不需要執行任何 Java 虛擬機代碼；靜態字段的顯式初始化程序作為初始化的一部分而不是準備執行。
Resolution：是從運行時常量池中的符號引用動態確定具體值的過程。

JVM 指令 anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、multiawarray、new、putfield 和 putstatic 對運行時常量池進行符號引用。執行這些指令中的任何一條都需要解析其符號引用。

（3）初始化：

這是類加載的最后階段，這里所有的靜態變量都將被賦予原始值，并執行靜態塊。

2、運行時數據區：

（1）方法區（Method Area）：

Java 虛擬機有一個在所有 Java 虛擬機線程之間共享的方法區。方法區類似于常規語言的編譯代碼的存儲區，或者類似于操作系統進程中的“文本”段。它存儲每個類的結構，例如運行時常量池、字段和方法數據，以及方法和構造函數的代碼，包括類和實例初始化以及接口初始化中使用的特殊方法。

如果方法區中的內存無法滿足分配請求，Java 虛擬機將拋出 OutOfMemoryError。

（2）堆（Heap）：

Java 虛擬機有一個在所有 Java 虛擬機線程之間共享的堆。堆是運行時數據區域，從中分配所有類實例和數組的內存。

堆是在虛擬機啟動時創建的。對象的堆存儲由自動存儲管理系統（稱為垃圾收集器）回收；對象永遠不會顯式釋放。Java 虛擬機沒有假定特定類型的自動存儲管理系統，可以根據實現者的系統要求選擇存儲管理技術。堆可以是固定大小的，也可以根據計算的需要進行擴展，如果不需要更大的堆，則可以收縮。堆的內存不需要是連續的。

Java 虛擬機實現可以讓程序員或用戶控制堆的初始大小，如果堆可以動態擴展或收縮，還可以控制最大和最小堆大小。

以下異常情況與堆相關聯：

如果計算需要的堆多于自動存儲管理系統所能提供的堆，則 Java 虛擬機將拋出 OutOfMemoryError。

（3）堆棧（Stack）：

每個 Java 虛擬機線程都有一個私有的 Java 虛擬機堆棧，與線程同時創建。Java 虛擬機堆棧存儲幀。Java 虛擬機堆棧類似于 C 等常規語言的堆棧：它保存局部變量和部分結果，并在方法調用和返回中發揮作用。因為 Java 虛擬機堆棧從不直接操作，除了壓入和彈出幀外，幀可能是堆分配的。Java 虛擬機堆棧的內存不需要是連續的。

在The Java? Virtual Machine Specification第一版中，Java 虛擬機堆棧被稱為 Java 堆棧。

此規范允許 Java 虛擬機堆棧具有固定大小或根據計算需要動態擴展和收縮。如果 Java 虛擬機堆棧的大小是固定的，則每個 Java 虛擬機堆棧的大小可以在創建該堆棧時獨立選擇。

Java 虛擬機實現可以為程序員或用戶提供對 Java 虛擬機堆棧初始大小的控制，以及在動態擴展或收縮 Java 虛擬機堆棧的情況下，對最大和最小大小的控制。

以下異常情況與 Java 虛擬機堆棧相關：

如果線程中的計算需要比允許的更大的 Java 虛擬機堆棧，Java 虛擬機將拋出 StackOverflowError。
如果 Java 虛擬機堆棧可以動態擴展，并且嘗試擴展但沒有足夠的內存可用于實現擴展，或者如果沒有足夠的內存可用于為新線程創建初始 Java 虛擬機堆棧，則 Java 虛擬機機器拋出 OutOfMemoryError。

（4）PC注冊（PC Register）：

它存儲當前執行的指令的地址。

（5）原生方法棧（Native Method Stack）：

Native Method Stack 保存本地方法信息。對于每個線程，都會創建一個單獨的本機方法堆棧。

3、執行引擎：

執行引擎通過執行每個類中存在的代碼來處理此問題。但是，在執行程序之前，需要將字節碼轉換為機器語言指令。JVM 可以使用解釋器或 JIT 編譯器作為執行引擎。

它可以分為三個部分：

解釋器：解釋器逐行讀取并執行字節碼指令。由于逐行執行，解釋器相對較慢。

解釋器的另一個缺點是當一個方法被多次調用時，每次都需要重新解釋。

即時編譯器（JIT） ：用于提高解釋器的效率。它編譯整個字節碼并將其更改為本地代碼，因此每當解釋器看到重復的方法調用時，JIT 會為該部分提供直接的本地代碼，因此不需要重新解釋，從而提高了效率。

垃圾收集器：它銷毀未引用的對象。有關垃圾收集器的更多信息，請參閱 Java Garbage Collection Basics。

Java 本機接口 (JNI)：

它是一個與本地方法庫交互并提供執行所需的本地庫（C、C++）的接口。它使 JVM 能夠調用 C/C++ 庫，并被可能特定于硬件的 C/C++ 庫調用。

本機方法庫：

它是執行引擎所需的本機庫（C、C++）的集合。

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