JVM 架構解讀

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每個Java開發人員都知道位元組碼由JRE（Java執行時環境）執行。但許多人不知道JRE是Java Virtual Machine（JVM）的實現，它分析位元組碼，解釋程式碼並執行它。作為開發人員，我們應該知道JVM的架構是非常重要的，因為它使我們能夠更有效地編寫程式碼。在本文中，我們將更深入地瞭解Java中的JVM架構和JVM的不同元件。

什麼是JVM？

Virtual Machine是物理機器的軟體實現。Java是用在VM上執行的WORA（Write Once Run Anywhere）概念而開發的。編譯器將Java檔案編譯為Java .class檔案，然後將.class檔案輸入到JVM中，JVM會載入並執行類檔案。下面是JVM的架構圖。

JVM如何工作？

如上面的架構圖所示，JVM分為三個主要子系統：

1. 類載入器子系統
2. 執行時資料區
3. 執行引擎

1.類載入器子系統

Java的動態類載入功能由類載入器子系統處理。它在執行時，而不是編譯時首次引用類的時候載入、連結、並初始化類檔案。

1.1載入

類將通過此元件載入。Boot Strap Class Loader，Extension Class Loader和Application Class Loader是有助於實現的三個類載入器。

1. Boot Strap Class Loader——負責載入來自於Bootstrap類路徑的類，就是rt.jar。此載入程式將給予最高優先順序。
2. Extension Class Loader——負責載入在ext資料夾（jre \ lib）內的類。
3. Application Class Loader——負責載入應用程式級類路徑，路徑提到環境變數等

上面的類記載器在載入類檔案時遵循Delegation Hierarchy 演算法。

1.2連結

1. 驗證——位元組碼驗證器將驗證生成的位元組碼是否正確，如果驗證失敗，我們將得到verification error。
2. 準備——對於所有的靜態變數，記憶體將被分配和配置預設值。
3. 解決——所有的符號儲存器引用都將替換為來自Method Area的原始引用。

1.3初始化

這是類載入的最後階段，這裡所有的靜態變數都將被賦予原始值，並執行靜態塊。

2.執行時資料區

執行時資料區分為5個主要元件：

方法區——所有的類級別資料將儲存在這裡，包括靜態變數。每個JVM只有一個方法區，並且它是一個共享資源。

堆區域——所有物件及其對應的例項變數和陣列將儲存在這裡。每個JVM也有一個堆區域。由於方法和堆區域共享多個執行緒的記憶體，因此所儲存的資料非執行緒安全。

堆疊區——對於每個執行緒，將建立一個單獨的執行時棧。對於每個方法呼叫，將在堆疊儲存器中產生一個條目，稱為堆疊幀。所有區域性變數將在堆疊記憶體中建立。堆疊區域是執行緒安全的，因為它不是共享資源。堆疊幀分為三個子元素：

1. 區域性變數陣列——與方法相關，涉及區域性變數以及將在此儲存的相應值的多少。
2. 運算元堆疊——如果需要執行任何中間操作，那麼運算元堆疊將充當執行時工作空間來執行操作。
3. 幀資料——對應於方法的所有符號儲存在此處。在任何異常的情況下，捕捉塊資訊將被保持在幀資料中。

PC暫存器——每個執行緒都有單獨的PC暫存器，用於儲存當前執行指令的地址，一旦指令執行，PC暫存器將更新到下一條指令。

本地方法堆疊——本地方法堆疊儲存本地方法資訊。對於每個執行緒，將建立一個單獨的本地方法堆疊。

3.執行引擎

分配給執行時資料區的位元組碼將由執行引擎執行。執行引擎讀取位元組碼並逐個執行它。

直譯器——直譯器解釋位元組碼較快，但執行慢。直譯器的缺點是當一個方法被多次呼叫時，每次都需要新的解析。

JIT編譯器——JIT編譯器消除了直譯器的缺點。執行引擎將在轉換位元組碼時使用直譯器的幫助，但是當它發現重複的程式碼時，它使用JIT編譯器，編譯器會編譯整個位元組碼並將其更改為原生程式碼。這個原生程式碼將直接用於重複的方法呼叫，從而提高系統效能。

1. 中間程式碼生成器——生成中間程式碼
2. 程式碼優化器——負責優化上面生成的中間程式碼
3. 目的碼生成器——負責生成機器程式碼或原生程式碼
4. 分析器——一個特殊元件，負責查詢熱點，即該方法是否被多次呼叫。

垃圾收集器：收集和刪除未引用的物件。可以通過呼叫“System.gc（）”觸發垃圾收集器，但不能保證執行。JVM的垃圾回收收集建立的物件。

Java本機介面（JNI）：JNI將與本地方法庫進行互動，並提供執行引擎所需的本地庫。

本地方法庫：它是執行引擎所需的本地庫的集合。