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原作者:Jackson Joseraj (2016-09-02)    来源:Dzone [英文]
城府很深    计算机    2016-09-05    0评/7584阅
翻译进度:已翻译   参与翻译: 城府很深 (6)

每一个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JREJava虚拟机(JVM)的实现, 它负责分析字节码、解析并执行代码。作为一个开发人员了解JVM架构是非常重要的,因为它使我们能更高效的编写代码。在这篇文章中我们将更深入了解Java中的JVM架构以及JVM的各个组件。

JVM是什么?

虚拟机 是物理机器的一个软件实现。Java运行在VM上,实现WORA (一处编写,处处运行)。 编译器将Java文件编译成Java .class 文件,然后这个.class文件被输入到JVM中进行类文件的加载和执行。下面是一个JVM的架构图。

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JVM 架构图

JVM Architecture Diagram

JVM是如何工作的呢?

正如上面的架构图所示,JVM被分为三个主要的子系统:

  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的动态类加载功能是由类加载器子系统处理。当它在运行时(不是编译时)首次引用一个类时,它加载、链接并初始化该类文件。

1.1 加载

类由此组件加载。启动类加载器 (Boot Strap class Loader)、扩展类加载器(Extension class Loader)和应用程序类加载器(Application class Loader) 这三种类加载器帮助完成类的加载。

第 2 段(可获 1.29 积分)
  1. 启动类加载器 – 负责从启动类路径中加载类,无非就是rt.jar。这个加载器会被赋予最高优先级。
  2. 扩展类加载器 – 负责加载ext 目录(jre\lib)内的类.
  3. 应用程序类加载器 – 负责加载应用程序级别类路径,涉及到路径的环境变量等etc.

上述的类加载器会遵循委托层次算法(Delegation Hierarchy Algorithm)加载类文件

1.2 链接

  1. 校验 – 字节码校验器会校验生成的字节码是否正确,如果校验失败,我们会得到校验错误
  2. 准备 – 分配内存并初始化默认值给所有的静态变量。
  3. 解析 – 所有符号内存引用方法区(Method Area)原始引用所替代。
第 3 段(可获 1.49 积分)

1.3 初始化

这是类加载的最后阶段,这里所有的静态变量会被赋初始值, 并且静态块将被执行。

2. 运行时数据区(Runtime Data Area)

运行时数据区域被划分为5个主要组件:

  1. 方法区(Method Area) – 所有类级别数据将被存储在这里,包括静态变量。每个JVM只有一个方法区,它是一个共享的资源。
  2. 堆区(Heap Area) – 所有的对象和它们相应的实例变量以及数组将被存储在这里。每个JVM同样只有一个堆区。由于方法区堆区的内存由多个线程共享,所以存储的数据不是线程安全的
  3. 栈区(Stack Area) – 对每个线程会单独创建一个运行时栈。对每个函数呼叫会在栈内存生成一个栈帧(Stack Frame)。所有的局部变量将在栈内存中创建。栈区是线程安全的,因为它不是一个共享资源。栈帧被分为三个子实体:
    1. 局部变量数组 – 包含多少个与方法相关的局部变量并且相应的值将被存储在这里。
    2. 操作数栈 – 如果需要执行任何中间操作,操作数栈作为运行时工作区去执行指令。
    3. 帧数据 – 方法的所有符号都保存在这里。在任意异常的情况下,catch块的信息将会被保存在帧数据里面。
  4. PC寄存器 – 每个线程都有一个单独的PC寄存器来保存当前执行指令的地址,一旦该指令被执行,pc寄存器会被更新至下条指令的地址。
  5. 本地方法栈 – 本地方法栈保存本地方法信息。对每一个线程,将创建一个单独的本地方法栈。
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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段执行。

  1. 解释器 – 解释器能快速的解释字节码,但执行却很慢。 解释器的缺点就是,当一个方法被调用多次,每次都需要重新解释。
  2. JIT 编译器 – JIT编译器消除了解释器的缺点。执行引擎利用解释器转换字节码,但如果是重复的代码则使用JIT编译器将全部字节码编译成本机代码。本机代码将直接用于重复的方法调用,这提高了系统的性能。
    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. 探测器(Profiler) – 一个特殊的组件,负责寻找被多次调用的方法。
  3. 垃圾回收器: 收集并删除未引用的对象。可以通过调用"System.gc()"来触发垃圾回收,但并不保证会确实进行垃圾回收。JVM的垃圾回收只收集哪些由new关键字创建的对象。所以,如果不是用new创建的对象,你可以使用finalize函数来执行清理。
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Java本地接口 (JNI): JNI 会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:它是一个执行引擎所需的本地库的集合。

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