JVM 的组成

JVM（Java Virtual Machine）是 Java 的核心组件，负责执行 Java 字节码程序。以下是 JVM 的主要组成部分：

1. 类加载子系统（Class Loader Subsystem）

• 作用：负责加载 .class 文件到 JVM，将其转换为 JVM 能识别的内部数据结构。
• 组成：
  • Bootstrap ClassLoader（引导类加载器）：加载 JDK 核心类库（rt.jar）。
  • Extension ClassLoader（扩展类加载器）：加载扩展库（lib/ext 中的类）。
  • Application ClassLoader（应用类加载器）：加载应用程序的类路径中的类。
• 过程：
  • 加载（Loading）：通过文件、网络等方式加载 .class 文件。
  • 验证（Verification）：确保字节码文件的合法性和安全性。
  • 准备（Preparation）：为类的静态字段分配内存并赋默认值。
  • 解析（Resolution）：将符号引用转换为直接引用。
  • 初始化（Initialization）：执行类的静态代码块或初始化静态字段。

2. 运行时数据区（Runtime Data Area）

JVM 为执行 Java 程序分配的内存区域，包括以下部分：

a. 方法区（Method Area）

• 存储：
  • 类元信息（类名、方法名、字段名等）。
  • 静态变量。
  • 运行时常量池。
• 特点：
  • 是线程共享的。
  • 在 JDK 8 以前对应于永久代（PermGen），在 JDK 8 后改为元空间（Metaspace）。

b. 堆区（Heap Area）

• 存储：
  • 所有对象实例和数组。
• 特点：
  • 是线程共享的。
  • 垃圾回收（GC）主要针对堆区。
  • 通常分为年轻代（Young Generation）、老年代（Old Generation）和永久代（PermGen，JDK 8 以后移除）。

c. Java 栈区（Java Stack Area）

• 存储：
  • 方法调用的局部变量。
  • 每个方法调用对应一个栈帧（Frame）。
• 特点：
  • 是线程私有的。
  • 方法调用结束后，栈帧会弹出，内存自动回收。

d. 程序计数器（Program Counter Register）

• 功能：
  • 记录当前线程正在执行的字节码指令地址。
• 特点：
  • 是线程私有的。

e. 本地方法栈（Native Method Stack）

• 功能：
  • 为本地方法（非 Java 方法，如通过 JNI 调用的 C 或 C++ 方法）服务。
• 特点：
  • 是线程私有的。

3. 执行引擎（Execution Engine）

• 作用：负责执行字节码。
• 组成：
  • 解释器（Interpreter）：逐条解释字节码并执行。
  • 即时编译器（JIT Compiler）：
    • 热点代码（频繁执行的代码）会被 JIT 编译为机器码，以提高执行速度。
    • 包括 C1（Client Compiler，快速编译）和 C2（Server Compiler，高性能优化）。
  • 垃圾回收器（Garbage Collector，GC）：
    • 自动回收不再使用的对象所占的内存。

4. 本地方法接口（Native Interface）

• 作用：提供调用非 Java 代码（如 C、C++）的接口。
• 工作机制：
  • 通过 JNI（Java Native Interface）调用本地方法。
  • 实现与底层操作系统和硬件的交互，如文件系统、网络操作。

5. JVM 内存模型（Java Memory Model, JMM）

• 作用：定义线程如何交互以及如何访问内存。
• 主要内容：
  • 主内存（Main Memory）：所有线程共享的内存区域。
  • 工作内存（Working Memory）：每个线程独立的内存区域，用于存储线程私有的数据。
  • 可见性：规定线程对共享变量的修改如何被其他线程看到。
  • 原子性：确保基本操作的不可分割性。
  • 有序性：保证程序的执行顺序符合预期。

6. JVM 垃圾回收子系统

• 作用：自动管理内存，回收不再使用的对象。
• 常用算法：
  • 标记-清除算法。
  • 标记-压缩算法。
  • 复制算法。
  • 分代收集算法。
• 常见垃圾回收器：
  • Serial GC、Parallel GC、CMS、G1 GC、ZGC、Shenandoah 等。

JVM 的工作原理

1. 加载类：通过类加载子系统加载 .class 文件。
2. 分配内存：在堆、栈等区域分配对象和方法的内存。
3. 执行字节码：通过执行引擎逐条解释或即时编译代码并运行。
4. 垃圾回收：定期清理无用的对象，释放内存。

总结

JVM 的组成模块紧密协作，为 Java 程序提供了一个高效、安全、跨平台的运行环境。每个部分都有其特定功能，共同构成了完整的 JVM。