JVM 架构—JVM 内部是如何工作的？

什么是虚拟机？

JVM（Java Virtual Machine）：它是一个引擎，为Java应用程序提供运行时环境，并负责转换通过编译（.java文件）生成的字节码（.class文件）。JVM 是 Java 运行时环境 (JRE) 的一部分。

Java 应用程序称为 WORA（Write Once Run Anywhere）。这意味着程序员可以在一个系统上开发 Java 代码，并且可以期望它无需任何调整就可以在任何其他支持 Java 的系统上运行。由于 JVM，这一切都是可能的。

JVM 架构：

JVM分为三个主要的子系统：

• 类加载器
• 运行时数据区（内存区）
• 执行引擎

1、类加载器：

ClassLoader 是 Java 运行时环境 (JRE) 的一部分，可将 Java 类文件从文件系统、网络或任何其他来源动态加载到 Java 虚拟机中。它分为三个主要阶段：

• 加载中
• 链接
• 初始化

（1）加载：

是负责从各种资源（例如文件系统、jar 文件、网络套接字）将字节代码（.class 文件）加载到内存中的部分。

Load阶段涉及三种不同类型的ClassLoader：

• Bootstrap Class Loader： 它加载 JDK 内部类。它加载rt.jar和其他核心类，例如 java.lang.* 包类。
• 扩展类加载器： 它从 JDK 扩展目录加载类，通常是$JAVA_HOME/lib/ext目录。
• 应用程序类加载器： 它从当前类路径加载类。我们可以在使用 -cp 或 -classpath 命令行选项调用程序时设置类路径。

ClassLoader 在 Java 中是如何工作的

当JVM 请求一个类时，它通过传递类的完全分类名称来调用java.lang.ClassLoader 类的loadClass() 方法。loadClass() 方法调用 findLoadedClass() 方法来检查该类是否已经加载。需要避免多次加载类。

如果该类未加载，它将请求委托给父 ClassLoader 以加载该类。如果 ClassLoader 没有找到类，它会调用 findClass() 方法在文件系统中查找类。下图显示了 ClassLoader 如何使用委托在 Java 中加载类。

假设我们有一个特定于应用程序的类 Student.class。加载此类文件的请求将传输到 Application ClassLoader。它委托给它的父扩展类加载器。此外，它委托给 Bootstrap ClassLoader。Bootstrap 在 rt.jar 中搜索该类，因为该类不存在。现在请求传输到 Extension ClassLoader，它搜索目录 jre/lib/ext 并尝试在其中找到此类。如果在此处找到该类，Extension ClassLoader 将加载该类。Application ClassLoader 从不加载该类。当扩展 ClassLoader 不加载它时，Application ClaasLoader 从 Java 中的 CLASSPATH 加载它。

可见性原则是说子ClassLoader可以看到父ClassLoader加载的类，反之则不然。这意味着如果 Application ClassLoader 加载 Student.class，在这种情况下，尝试使用 Extension ClassLoader 显式加载 Student.class 会抛出
java.lang.ClassNotFoundException。

（2）链接：

主要分为三个阶段：

• 验证：它确保.class文件（字节码）的正确性 ，即它检查此文件是否正确格式化并由有效的编译器生成，以及是否与 JVM 类规范兼容。如果验证失败，我们会得到运行时异常 java.lang.VerifyError。此活动由组件ByteCodeVerifier完成。完成此活动后，类文件就可以编译了。
• 准备：准备包括为类或接口创建静态字段并将这些字段初始化为其默认值。这不需要执行任何 Java 虚拟机代码；静态字段的显式初始化程序作为初始化的一部分而不是准备执行。
• Resolution：是从运行时常量池中的符号引用动态确定具体值的过程。

JVM 指令 anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、multiawarray、new、putfield 和 putstatic 对运行时常量池进行符号引用 。执行这些指令中的任何一条都需要解析其符号引用。

（3）初始化：

这是类加载的最后阶段，这里所有的静态变量都将被赋予原始值，并执行静态块。

2、运行时数据区：

（1）方法区（Method Area）：

Java 虚拟机有一个 在所有 Java 虚拟机线程之间共享的方法区。方法区类似于常规语言的编译代码的存储区，或者类似于操作系统进程中的“文本”段。它存储每个类的结构，例如运行时常量池、字段和方法数据，以及方法和构造函数的代码，包括类和实例初始化以及接口初始化中使用的特殊方法。

• 如果方法区中的内存无法满足分配请求，Java 虚拟机将抛出 OutOfMemoryError。

（2）堆（Heap）：

Java 虚拟机有一个 在所有 Java 虚拟机线程之间共享的堆。堆是运行时数据区域，从中分配所有类实例和数组的内存。

堆是在虚拟机启动时创建的。对象的堆存储由自动存储管理系统（称为 垃圾收集器）回收；对象永远不会显式释放。Java 虚拟机没有假定特定类型的自动存储管理系统，可以根据实现者的系统要求选择存储管理技术。堆可以是固定大小的，也可以根据计算的需要进行扩展，如果不需要更大的堆，则可以收缩。堆的内存不需要是连续的。

Java 虚拟机实现可以让程序员或用户控制堆的初始大小，如果堆可以动态扩展或收缩，还可以控制最大和最小堆大小。

以下异常情况与堆相关联：

• 如果计算需要的堆多于自动存储管理系统所能提供的堆，则 Java 虚拟机将抛出 OutOfMemoryError。

（3）堆栈（Stack）：

每个 Java 虚拟机线程都有一个私有的 Java 虚拟机堆栈，与线程同时创建。Java 虚拟机堆栈存储帧。Java 虚拟机堆栈类似于 C 等常规语言的堆栈：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。因为 Java 虚拟机堆栈从不直接操作，除了压入和弹出帧外，帧可能是堆分配的。Java 虚拟机堆栈的内存不需要是连续的。

在The Java® Virtual Machine Specification第一版中 ，Java 虚拟机堆栈被称为 Java 堆栈。

此规范允许 Java 虚拟机堆栈具有固定大小或根据计算需要动态扩展和收缩。如果 Java 虚拟机堆栈的大小是固定的，则每个 Java 虚拟机堆栈的大小可以在创建该堆栈时独立选择。

Java 虚拟机实现可以为程序员或用户提供对 Java 虚拟机堆栈初始大小的控制，以及在动态扩展或收缩 Java 虚拟机堆栈的情况下，对最大和最小大小的控制。

以下异常情况与 Java 虚拟机堆栈相关：

• 如果线程中的计算需要比允许的更大的 Java 虚拟机堆栈，Java 虚拟机将抛出 StackOverflowError。
• 如果 Java 虚拟机堆栈可以动态扩展，并且尝试扩展但没有足够的内存可用于实现扩展，或者如果没有足够的内存可用于为新线程创建初始 Java 虚拟机堆栈，则 Java 虚拟机机器抛出 OutOfMemoryError。

（4）PC注册（PC Register）：

它存储当前执行的指令的地址。

（5）原生方法栈（Native Method Stack）：

Native Method Stack 保存本地方法信息。对于每个线程，都会创建一个单独的本机方法堆栈。

3、执行引擎：

执行引擎通过执行每个类中存在的代码来处理此问题。但是，在执行程序之前，需要将字节码转换为机器语言指令。JVM 可以使用解释器或 JIT 编译器作为执行引擎。

它可以分为三个部分：

解释器：解释器逐行读取并执行字节码指令。由于逐行执行，解释器相对较慢。

解释器的另一个缺点是当一个方法被多次调用时，每次都需要重新解释。

即时编译器（JIT） ：用于提高解释器的效率。它编译整个字节码并将其更改为本地代码，因此每当解释器看到重复的方法调用时，JIT 会为该部分提供直接的本地代码，因此不需要重新解释，从而提高了效率。

垃圾收集器：它销毁未引用的对象。有关垃圾收集器的更多信息，请参阅 Java Garbage Collection Basics。

Java 本机接口 (JNI)：

它是一个与本地方法库交互并提供执行所需的本地库（C、C++）的接口。它使 JVM 能够调用 C/C++ 库，并被可能特定于硬件的 C/C++ 库调用。

本机方法库：

它是执行引擎所需的本机库（C、C++）的集合。