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本文闡述了JVM的構(gòu)成和組件，配圖清晰易懂，是學(xué)習(xí)Java開發(fā)者的入門必讀文章。

每個(gè)Java開發(fā)人員都知道字節(jié)碼經(jīng)由JRE（Java運(yùn)行時(shí)環(huán)境）執(zhí)行。但他們或許不知道JRE其實(shí)是由Java虛擬機(jī)（JVM）實(shí)現(xiàn)，JVM分析字節(jié)碼，解釋并執(zhí)行它。作為開發(fā)人員，了解JVM的架構(gòu)是非常重要的，因?yàn)樗刮覀兡軌蚓帉懗龈咝У拇a。本文中，我們將深入了解Java中的JVM架構(gòu)和JVM的各個(gè)組件。

JVM

虛擬機(jī)是物理機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)。Java的設(shè)計(jì)理念是WORA（Write Once Run Anywhere，一次編寫隨處運(yùn)行）。編譯器將Java文件編譯為Java .class文件，然后將.class文件輸入到JVM中，JVM執(zhí)行類文件的加載和執(zhí)行的操作。請(qǐng)看以下的JVM架構(gòu)圖：

JVM是如何工作的？

如上面架構(gòu)圖所示，JVM分為三個(gè)主要子系統(tǒng)：

• 類加載器子系統(tǒng)（Class Loader Subsystem）

• 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Area）

• 執(zhí)行引擎（Execution Engine）

1. 類加載器子系統(tǒng)

Java的動(dòng)態(tài)類加載功能由類加載器子系統(tǒng)處理，處理過(guò)程包括加載和鏈接，并在類文件運(yùn)行時(shí)，首次引用類時(shí)就開始實(shí)例化類文件，而不是在編譯時(shí)進(jìn)行。

1.1 加載

Boot Strap類加載器，Extension類加載器和Application（類加載器是實(shí)現(xiàn)類加載過(guò)程的三個(gè)類加載器。

(1) Boot Strap類加載器：負(fù)責(zé)從引導(dǎo)類路徑加載類，除了rt.jar，它具有最高優(yōu)先級(jí)；

(2) Extension 類加載器：負(fù)責(zé)加載ext文件夾（jre \ lib）中的類；

(3) Application類加載器：負(fù)責(zé)加載應(yīng)用程序級(jí)類路徑，環(huán)境變量中指定的路徑等信息。

上面的類裝載器在加載類文件時(shí)遵循委托層次算法（Delegation Hierarchy Algorithm）。

1.2 鏈接

(1) 驗(yàn)證（Verify）：字節(jié)碼驗(yàn)證器將驗(yàn)證生成的字節(jié)碼是否正確，如果驗(yàn)證失敗，將提示驗(yàn)證錯(cuò)誤；

(2) 準(zhǔn)備（Prepare）：對(duì)于所有靜態(tài)變量，內(nèi)存將會(huì)以默認(rèn)值進(jìn)行分配；

(3) 解釋（Resolve）：有符號(hào)存儲(chǔ)器引用都將替換為來(lái)自方法區(qū)（Method Area）的原始引用。

1.3 初始化

這是類加載的最后階段，所有的靜態(tài)變量都將被賦予原始值，并且靜態(tài)區(qū)塊將被執(zhí)行。

2. 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)可分為5個(gè)主要組件：

(1) 方法區(qū)（Method Area）：所有的類級(jí)數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在這里，包括靜態(tài)變量。每個(gè)JVM只有一個(gè)方法區(qū)，它是一個(gè)共享資源；

(2) 堆區(qū)域（Heap Area）：所有對(duì)象及其對(duì)應(yīng)的實(shí)例變量和數(shù)組將存儲(chǔ)在這里。每個(gè)JVM也只有一個(gè)堆區(qū)域。由于方法和堆區(qū)域共享多個(gè)線程的內(nèi)存，所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不是線程安全的；

(3) 堆棧區(qū)（Stack Area）：對(duì)于每個(gè)線程，將創(chuàng)建單獨(dú)的運(yùn)行時(shí)堆棧。對(duì)于每個(gè)方法調(diào)用，將在堆棧存儲(chǔ)器中產(chǎn)生一個(gè)條目，稱為堆棧幀。所有局部變量將在堆棧內(nèi)存中創(chuàng)建。堆棧區(qū)域是線程安全的，因?yàn)樗还蚕碣Y源。堆?？蚣芊譃槿齻€(gè)子元素：

• 局部變量數(shù)組（Local Variable Array）：與方法相關(guān)，涉及局部變量，并在此存儲(chǔ)相應(yīng)的值

• 操作數(shù)堆棧（Operand stack）：如果需要執(zhí)行任何中間操作，操作數(shù)堆棧將充當(dāng)運(yùn)行時(shí)工作空間來(lái)執(zhí)行操作

• 幀數(shù)據(jù)（Frame Data）：對(duì)應(yīng)于方法的所有符號(hào)存儲(chǔ)在此處。在任何異常的情況下，捕獲的區(qū)塊信息將被保持在幀數(shù)據(jù)中；

(4) PC寄存器（PC Registers）：每個(gè)線程都有單獨(dú)的PC寄存器，用于保存當(dāng)前執(zhí)行指令的地址。一旦執(zhí)行指令，PC寄存器將被下一條指令更新；

(5) 本地方法堆棧（Native Method stacks）：本地方法堆棧保存本地方法信息。對(duì)于每個(gè)線程，將創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的本地方法堆棧。

3.執(zhí)行引擎

分配給運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的字節(jié)碼將由執(zhí)行引擎執(zhí)行，執(zhí)行引擎讀取字節(jié)碼并逐個(gè)執(zhí)行。

(1) 解釋器：解釋器更快地解釋字節(jié)碼，但執(zhí)行緩慢。解釋器的缺點(diǎn)是當(dāng)一個(gè)方法被調(diào)用多次時(shí)，每次都需要一個(gè)新的解釋；

(2) JIT編譯器：JIT編譯器消除了解釋器的缺點(diǎn)。執(zhí)行引擎將在轉(zhuǎn)換字節(jié)碼時(shí)使用解釋器的幫助，但是當(dāng)它發(fā)現(xiàn)重復(fù)的代碼時(shí)，將使用JIT編譯器，它編譯整個(gè)字節(jié)碼并將其更改為本地代碼。這個(gè)本地代碼將直接用于重復(fù)的方法調(diào)用，這提高了系統(tǒng)的性能。JIT的構(gòu)成組件為：

• 中間代碼生成器（Intermediate Code Generator）：生成中間代碼

• 代碼優(yōu)化器（Code Optimizer）：負(fù)責(zé)優(yōu)化上面生成的中間代碼

• 目標(biāo)代碼生成器（Target Code Generator）：負(fù)責(zé)生成機(jī)器代碼或本地代碼

• 分析器（Profiler）：一個(gè)特殊組件，負(fù)責(zé)查找熱點(diǎn)，即該方法是否被多次調(diào)用；

(3) 垃圾收集器(Garbage Collector)：收集和刪除未引用的對(duì)象?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)用“System.gc（）”觸發(fā)垃圾收集，但不能保證執(zhí)行。JVM的垃圾回收對(duì)象是已創(chuàng)建的對(duì)象。

Java本機(jī)接口（JNI）：JNI將與本機(jī)方法庫(kù)進(jìn)行交互，并提供執(zhí)行引擎所需的本機(jī)庫(kù)。

本地方法庫(kù)（Native Method Libraries）：它是執(zhí)行引擎所需的本機(jī)庫(kù)的集合。