Java虚拟机：JVM介绍

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概述

JVM（ Java Virtual Machine ，Java 虚拟机），是 Java 语言的运行环境，是运行所有 Java 程序的抽象计算机（一个虚构出来的计算机，通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现）。JVM 的主要功能是执行 Java 字节码，JVM 是 Java 程序的中间表示形式，是 Java 程序从源代码到实际运行的中间桥梁。Java 编译器将 Java 源代码编译成字节码后，JVM 将这些字节码解释或编译成特定平台上的机器指令并执行，而无需针对每个平台重新编写和编译源代码。

JVM 具有一套完整的硬件架构，包括处理器、堆栈、寄存器等，以及相应的指令系统。这使得 JVM 能够模拟实际计算机的各种功能，从而在不同的操作系统和硬件平台上实现 Java 程序的运行。这种特性使得 Java 语言具有跨平台性。

JVM 还负责管理 Java 程序的内存，包括堆内存和栈内存的分配、回收和释放。其使用垃圾回收机制来自动管理内存，从而减轻了开发者的负担。此外，JVM 还支持多线程并发执行，可以创建和管理多个线程，实现并发编程。同时，还提供了安全管理机制，对 Java 程序的访问权限进行控制，保护系统的安全性。

在实际开发中，JVM 的应用广泛，如 Tomcat 、Jetty 等 Web 服务器都使用 JVM 来运行 Java Web 应用程序。同时，JVM 的特性和机制也在许多常用功能和程序实现中发挥着基础作用。

JVM 架构

一、类加载子系统：

负责在运行时动态加载 Java 类。其主要功能是将类的 .class 文件中的二进制数据读入到内存中，并将其放置在运行时数据区的方法区内。然后在堆区创建一个 java.lang.Class 对象，用来封装类在方法区内的数据结构。这个 Class 对象就是类加载的最终产品，其向 Java 程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

类加载的过程包括加载、验证、准备、解析和初始化五个阶段。加载阶段主要是将类的二进制数据读入内存；验证阶段确保 .class 文件的正确性和安全性；准备阶段为类的静态变量分配内存并设置初始值；解析阶段主要处理符号引用到直接引用的转换；初始化阶段主要是执行类构造器 < clinit >() 方法的过程。

在类加载的过程中，类加载器起到了关键的作用。类加载器负责查找和加载类的二进制数据。在 JVM 中，有多种类加载器，它们之间通常存在包含关系，遵循双亲委派机制（即一个类加载器在加载类时，会首先委托其父类加载器去加载，只有在父类加载器无法加载该类时，才会自己尝试加载）。

二、运行时数据区（内存模型）

负责为程序运行时提供必要的数据存储和操作空间，确保程序能够正确、高效地执行。JVM 在执行 Java 程序时划分的多个不同的数据区域，这些区域各自有着特定的功能与作用。同时，这些区域共同协作，为 Java 程序的执行提供了必要的内存环境。JVM 通过内存管理和垃圾回收机制来确保这些区域的有效利用和安全性。

• 方法区（ Method Area ）：这是一个线程共享的区域，用于存储类信息、常量、静态变量等数据。在 JDK 8 之前，方法区也被称为永久代（ PermGen ），而在 JDK 8 及以后版本中，元数据区（ Metaspace ）取代了永久代
• 堆（ Heap ）：这是 JVM 中最大的一块内存区域，主要功能是存放 Java 对象实例和数组。堆区是线程共享的，所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。堆内存还可以按照垃圾分代收集的角度划分为年轻代和老年代，年轻代又进一步细分为 Eden 区、From Survivor 区和 To Survivor 区
• 虚拟机栈（ Virtual Machine Stack ）：每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，用于存储方法的局部变量和部分结果。虚拟机栈由一个个栈帧组成，每个栈帧对应着一次方法调用
• 程序计算器（ Program Counter Register ）：这是一个线程私有的内存区域，用于存储当前线程正在执行的 Java 方法的指令地址。由于 Java 是支持多线程的语言，每个线程需要有独立的程序计数器来记录当前线程执行的位置
• 本地地方栈（ Native Method Stack ）：用于支持 native 方法的执行。与虚拟机栈类似，但是为 native 方法服务的

三、执行引擎

负责将编译后的字节码解释成可执行的机器指令，从而实现了 Java 程序的运行。其主要功能是将 Java 字节码转换为特定平台上的本地机器指令，以便操作系统能够识别和执行。

执行引擎主要包括解释执行和即时编译两种方式。解释执行是 JVM 启动时根据语法规范对字节码逐行解释执行，将每行字节码文件的内容翻译成本地平台的机器指令。这种方式性能较低，但具有跨平台的优势。而即时编译是可以将频繁执行的代码优化为本地机器码，提高执行效率。

在执行过程中，执行引擎从程序计算器中获取要执行的指令索引，使用指令索引从操作数栈中获取要执行的指令，然后将指令转换为具体的机器指令交给操作系统执行。执行引擎的输入是二进制流，处理过程是将字节码转换为机器指令的过程，输出的是执行结果。

四、本地方法接口

其主要用于实现 Java 代码与本地（ Native ）代码（如 C 、C++ 代码）之间的交互。本地方法接口允许 Java 程序调用本地方法，从而实现与底层本地代码的交互。这些本地方法在 Java 虚拟机中不会有实现，而是在本地代码中实现。

本地方法接口提供了一系列函数，用于 Java 代码和本地代码之间的数据传递、对象操作、异常处理等。常用的 JNI 函数包括获取类、方法和字段的 ID ，如 FindClass() 、GetMethodID() 、GetFieldID() 等；调用 Java 方法，如 CallVoidMethod() 、CallObjectMethod() 、CallStaticVoidMethod() 等；以及访问和操作 Java 对象，如 NewObject() 、GetObjectField() 、SetObjectField() 等。

本地方法接口在 Java 平台上实现了 Java 与本地代码之间的桥梁，极大地扩展了 Java 的应用范围。JVM 通过调用本地方法栈上的本地方法来执行本地接口的功能。本地接口的作用是融合不同的编程语言为 Java 所用，其初衷是融合 C 或 C++ 程序。在 Java 诞生的时候，为了立足并调用 C 或 C++ 的程序，Java 在内存中开辟了一块区域专门用于处理标记为 native 的代码。具体做法是在本地方法栈中登记 native 方法，在执行引擎执行时加载 native libaries 。

五、本地方法库

本地方法库，指那些包含本地方法实现的库文件。这些本地方法通常是用 C 、C++ 或其他底层语言编写的，并通过本地方法接口（如 JNI 、Java Native Interface ）与 Java 代码进行交互。

本地方法库的存在主要是为了扩展 Java 的功能，使其能够调用底层系统函数、访问硬件资源或与其他语言编写的库进行交互。通过本地方法库，Java 程序可以执行一些 Java 本身无法直接完成的操作，从而提高了程序的灵活性和性能。

在 Java 程序中调用本地方法库中的函数时，需要使用本地方法接口。这个接口提供了一组函数，用于在 Java 代码和本地代码之间进行数据传递、对象操作以及异常处理等。通过本地方法接口，Java 程序可以安全地调用本地方法库中的函数，并处理相关的数据交换和异常情况。

需要注意的是，本地方法库的使用需要谨慎处理，以确保程序的稳定性和安全性。由于本地代码直接运行在底层系统上，因此可能存在一些安全风险，如内存泄漏、非法访问等。因此，在编写和使用本地方法时，需要遵循一定的编程规范和最佳实践，以确保程序的正确性和安全性。

总的来说，JVM 架构为 Java 程序的运行提供了强大的支持和保障，使得 Java 程序能够在不同的操作系统和硬件平台上实现跨平台运行。同时，JVM 的调优和性能优化也是确保 Java 程序高效稳定运行的关键。通过优化 JVM 的内存使用、延迟和吞吐量等指标，可以提高程序的性能和响应速度，从而提升用户体验和系统的整体性能。