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文章导读

前言

每个 Java 开发人员都知道字节码经由 JRE（Java运行时环境）执行。但他们或许不知道 JRE 其实是由 Java虚拟机（JVM）实现，JVM分析字节码，解释并执行它。作为开发人员，了解 JVM 的架构是非常重要的，因为它使我们能够编写出更高效的代码。

本文中，我们将深入了解 Java 中的 JVM 架构和 JVM 的各个组件。

首先我们介绍一下 JDK、JRE 以及 JVM 之间的关系。

Java 架构

Java 架构包括上图中提到的 3 个主要组件：

• Java 开发工具包 (JDK)

• Java 运行时环境（JRE）

• Java 虚拟机 (JVM)

1、Java 开发工具包 (JDK)

JDK（Java Development Kit） 是整个 Java 的核心，通常称为 JRE 的超集。它是支持 Java 应用程序和 Java 小程序开发的基础组件。

它是特定于平台的，因此每个操作系统（例如，Mac、Unix 和 Windows）都需要单独的安装程序。

JDK 包括了 Java 运行环境 JRE（Java Runtime Envirnment），一堆 Java 工具（javac/java/jdb等）和 Java 基础的类库。

2、Java 运行时环境 (JRE)

JRE （Java Runtime Environment） 是 JDK 的一部分，包含 JVM 标准实现及 Java 核心类库。JRE 是 Java 运行环境，并不是一个开发环境，所以没有包含任何开发工具（如编译器和调试器）。

3、Java 虚拟机 (JVM)

JVM（Java Virtual Machine）是整个Java 实现跨平台的最核心的部分，能够运行以 Java 语言写作的，编译完成的 class 程序。屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使得 Java 程序只需生成在 Java 虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。

三者的联系如下图所示：

JVM

JVM 全称 Java Virtual Machine，也就是我们耳熟能详的 Java 虚拟机。它能识别 .class 后缀的文件，并且能够解析它的指令，最终调用操作系统上的函数，完成我们想要的操作。

一般情况下，使用 C++ 开发的程序，编译成二进制文件后，就可以直接执行了，操作系统能够识别它；但是 Java 程序不一样，使用 javac 编译成 .class 文件之后，还需要使用 Java 命令去主动执行它，操作系统并不认识这些 .class 文件。

为什么不能像 C++ 一样，直接在操作系统上运行编译后的二进制文件呢？而非要搞一个处于程序与操作系统中间层的虚拟机呢？

大家都知道，Java 是一门抽象程度特别高的语言，提供了自动内存管理等一系列的特性。这些特性直接在操作系统上实现是不太可能的，所以就需要 JVM 进行一番转换。

有了 JVM 这个抽象层之后，Java 就可以实现跨平台了。JVM 只需要保证能够正确执行 .class 文件，就可以运行在诸如 Linux、Windows、MacOS 等平台上了。

用一句话概括 JVM 与操作系统之间的关系：JVM 上承开发语言，下接操作系统，它的中间接口就是字节码。

Java 虚拟机和字节码存储格式是实现语言无关性的基础。Java虚拟机不与包括Java语言在内的任何程序语言绑定，它只与“Class文件”这种特定的二进制文件格式所关联，Class文件中包含了Java虚拟机指令集、符号表以及若干其他辅助信息。

在 Java 中编译器将 Java 文件编译为 .class 文件，然后将 .class 文件输入到 JVM 中，JVM 执行类文件的加载和执行的操作。

JVM 架构图：

JVM是如何工作的？

如上图所示，JVM 中主要有三个子系统：

• 类加载器子系统（Class Loader Sub System）

• 运行时数据区（Runtime Data Area）

• 执行引擎（Execution Engine）

类加载器子系统

Java 虚拟机把描述类的数据从 Class 文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的 Java 类型，这就是虚拟机的加载机制。

类加载子系统作用：

• 类加载子系统负责从文件系统或者网络中加载 class 文件，class 文件在文件开头有特定的文件标识（0xCAFEBABE）。

• 类加载器（Class Loader）只负责 class 文件的加载，至于它是否可以运行，则由执行引擎（Execution Engine）决定。

• 加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区中还会存放运行时常量池信息，可能还包括字符串字面量和数字常量（这部分常量信息是Class文件中常量池部分的内存映射）。

• Class 对象是存放在堆区的。

类加载过程：

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。(验证、准备和解析又统称为连接，为了支持Java语言的运行时绑定，所以解析阶段也可以是在初始化之后进行的。以上顺序都只是说开始的顺序，实际过程中是交叉的混合式进行的，加载过程中可能就已经开始验证了)。

运行时数据区

运行时数据区可分为5个主要组件：

1. 方法区（Method Area）：所有的类级数据将存储在这里，包括静态变量。每个JVM只有一个方法区，它是一个共享资源；

2. 堆区域（Heap Area）：所有对象及其对应的实例变量和数组将存储在这里。每个JVM也只有一个堆区域。由于方法和堆区域共享多个线程的内存，所存储的数据不是线程安全的；

3. 虚拟机栈区（VM Stack）：对于每个线程，将创建单独的运行时虚拟机栈。对于每个方法调用，将在虚拟机栈中产生一个条目，称为栈帧。所有局部变量将在堆栈内存中创建。堆栈区域是线程安全的，因为它不共享资源。堆栈框架分为三个子元素：

• 局部变量数组（Local Variable Array）：与方法相关，涉及局部变量，并在此存储相应的值

• 操作数栈（Operand stack）：如果需要执行任何中间操作，操作数堆栈将充当运行时工作空间来执行操作

• 帧数据（Frame Data）：对应于方法的所有符号存储在此处。在任何异常的情况下，捕获的区块信息将被保持在帧数据中；

5. 本地方法栈（Native Method Stacks）：本地方法堆栈保存本地方法信息。对于每个线程，将创建一个单独的本地方法堆栈。

执行引擎

执行引擎主要用来执行 Java 生成 .class 的字节码，解析/编译成各种 cpu 所能执行的二进制指令。

简单来说，JVM 中的执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的译者。

执行引擎主要具有三个用于执行 Java 类的主要组件：

解释器（interpreter）：Java虚拟机启动时，会根据预定义的规范对字节码采用逐行解释的方式执行，将每条字节码文件中的内容编译为对应平台的本地机器指令执行。

• 解释器真正意义上所承担的角色就是一个运行时「翻译者」，将字节码文件中的内容「翻译」为对应平台的本地机器指令执行。

• 当一条字节码指令被解释执行完成后，接着再根据 PC 寄存器中记录的下一条需要被执行的字节码指令执行解释操作。

Interpreter 的主要缺点是当多次调用同一个方法时，每次都需要新的解释，这会降低系统的性能。所以这就是 JIT 编译器将与解释器并行运行的原因。

JIT （Just In Time Compiler）：即时编译器，虚拟机将字节码直接编译成和本地机器平台相关的机器语言。（把热点代码编译成机器语言，编译慢，执行快）

即时编译的目的是避免函数被解释执行，而是将整个函数体编译成为机器码，每次函数执行时，只执行编译后的机器码即可，这种方式可以使执行效率大幅度提升。

JIT的构成组件为：

• 中间代码生成器（Intermediate Code Generator）：生成中间代码

• 代码优化器（Code Optimizer）：负责优化上面生成的中间代码

• 目标代码生成器（Target Code Generator）：负责生成机器代码或本地代码

• 分析器（Profiler）：一个特殊组件，负责查找热点，即该方法是否被多次调用；

垃圾收集器(Garbage Collector)：收集和删除未引用的对象。可以通过调用  System.gc() 触发垃圾收集，但不能保证执行。JVM 的垃圾回收对象是已创建的对象。

Java 本地方法接口（JNI）：JNI将与本机方法库进行交互，并提供执行引擎所需的本机库。

本地方法库（Native Method Libraries）：它是执行引擎所需的本机库的集合。