Java - 虚拟机 JVM 架构

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JVM （Java Virtual Machine） 是一种抽象机器。它是一个提供可以执行 java 字节码的运行时环境的规范。

JVM 可用于许多硬件和软件平台（即 JVM 依赖于平台）。

什么是 JVM

• 工作规范 :指定了 Java 虚拟机工作的规范。但是 implementation provider 是独立于选择算法的。其实施由 Oracle 和其他公司提供。
• An implementation：它的实施称为 JRE（Java 运行时环境）。
• Runtime Instance ：运行时实例每当在命令提示符上编写 java 命令以运行 java 类时，都会创建一个 JVM 实例。

它能做什么

JVM 执行以下操作：

• 加载代码
• 验证代码
• 执行代码
• 提供运行环境

JVM 提供了以下各项的定义：

• 内存区域
• 类文件格式
• 寄存器集
• 垃圾回收堆
• 致命错误报告等

JVM 架构

让我们了解 JVM 的内部架构。它包含类加载器、内存区域、执行引擎等。

1） Classloader

Classloader 是 JVM 的一个子系统，用于加载类文件。每当我们运行 java 程序时，它首先由 classloader 加载。Java 中有三个内置的类加载器。

• Bootstrap ClassLoader：这是第一个 classloader，它是 Extension classloader 的超类。它加载 rt.jar 文件，其中包含 Java 标准版的所有类文件，如 java.lang 包类、java.net 包类、java.util 包类、java.io 包类、java.sql 包类等。
• Extension ClassLoader：这是 Bootstrap 的子 classloader 和 System classloader 的父 classloader。它加载位于 $JAVA_HOME/jre/lib/ext 目录中的 jar 文件。
• System/Application ClassLoader：这是 Extension 类加载器的子类加载器。它从 classpath 加载 classfile。默认情况下， Classpath 设置为 current directory。您可以使用 “-cp” 或 “-classpath” 开关更改 Classpath。它也被称为 Application 类加载器。

让我们看一个打印 classloader 名称的示例

//	
public class ClassLoaderExample 	
{ 	
	 	 public static void main(String[] args) 	
	 	 { 	
	 	 	 	 // 让我们打印当前类的 classloader 名称。		
	 	 	 	 // Application/System 类加载器将加载此类 	
	 	 	 	 Class c=ClassLoaderExample.class; 	
	 	 	 	 System.out.println(c.getClassLoader()); 	
	 	 	 	 // 如果我们打印 String的 classloader 名称，它将打印null，因为它是一个	
	 	 	 	 // 在rt.jar中的内置类中，因此它是由Bootstrap类加载器加载的
	 	 	 	 System.out.println(String.class.getClassLoader()); 	
	 	 } 	
} 	 		

 

输出：

这些是 Java 提供的内部类加载器。如果要创建自己的类加载器，则需要扩展 ClassLoader 类。

2）Class（Method） 区域

Class（Method） Area 存储每个类的结构，例如运行时常量池、字段和方法数据、方法代码。

3） 堆

它是分配对象的运行时数据区域。

4） 堆栈

Java Stack 存储帧。它保存局部变量和部分结果，并在方法调用和返回中发挥作用。

每个线程都有一个私有 JVM 堆栈，与 thread 同时创建。

每次调用方法时，都会创建一个新帧。当 Frame 的方法调用完成时，该帧将被销毁。

5） 程序计数器注册

PC（程序计数器）寄存器包含当前正在执行的 Java 虚拟机指令的地址。

6） 原生方法堆栈

它包含应用程序中使用的所有本机方法。

7） 执行引擎

它包含：

• 虚拟处理器
• 解释程序：读取字节码流，然后执行指令。
• 即时 （JIT） 编译器：它用于提高性能。JIT 编译同时具有相似功能的字节码部分，从而减少编译所需的时间。在这里，术语“编译器”是指从 Java 虚拟机 （JVM） 的指令集到特定 CPU 的指令集的转换器。

8） Java 原生接口

Java 本机接口 （JNI） 是一个框架，它提供了一个接口，用于与以其他语言（如 C、C++、汇编等）编写的另一个应用程序进行通信。Java 使用 JNI 框架将输出发送到控制台或与操作系统库交互。