JVM 是如何工作的——JVM 架构？

JVM（Java虚拟机）充当运行Java应用程序的运行时引擎。 JVM 是实际调用Java代码中存在的main方法的那个。 JVM 是 JRE（Java运行时环境）的一部分。

Java应用程序称为 WORA（一次编写，随处运行）。这意味着程序员可以在一个系统上开发Java代码，并且可以期望它在任何其他支持 Java 的系统上运行而无需任何调整。由于 JVM，这一切皆有可能。

当我们编译一个. Java文件， .class文件（包含字节码）具有相同的类名存在于. Java文件由Java编译器生成。当我们运行这个.class文件时，它会进入各个步骤。这些步骤一起描述了整个 JVM。

类加载器子系统

它主要负责三项活动。

• 正在加载
• 链接
• 初始化

加载：类加载器读取“. class”文件，生成相应的二进制数据并保存在方法区。对于每个“ .class”文件，JVM 将以下信息存储在方法区域中。

• 已加载类及其直接父类的完全限定名称。
• “ .class”文件是否与 Class 或 Interface 或 Enum 相关。
• 修饰符、变量和方法信息等。

加载“ .class”文件后，JVM 在堆内存中创建一个 Class 类型的对象来表示该文件。请注意，此对象是Java.lang包中预定义的 Class 类型。程序员可以使用这些 Class 对象来获取类级别的信息，例如类的名称、父名称、方法和变量信息等。要获取此对象引用，我们可以使用 Object 类的getClass()方法。

Java

// A Java program to demonstrate working
// of a Class type object created by JVM
// to represent .class file in memory.
import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.Method;
  
// Java code to demonstrate use
// of Class object created by JVM
public class Test {
    public static void main(String[] args)
    {
        Student s1 = new Student();
  
        // Getting hold of Class
        // object created by JVM.
        Class c1 = s1.getClass();
  
        // Printing type of object using c1.
        System.out.println(c1.getName());
  
        // getting all methods in an array
        Method m[] = c1.getDeclaredMethods();
        for (Method method : m)
            System.out.println(method.getName());
  
        // getting all fields in an array
        Field f[] = c1.getDeclaredFields();
        for (Field field : f)
            System.out.println(field.getName());
    }
}
  
// A sample class whose information
// is fetched above using its Class object.
class Student {
    private String name;
    private int roll_No;
  
    public String getName() { return name; }
    public void setName(String name) { this.name = name; }
    public int getRoll_no() { return roll_No; }
    public void setRoll_no(int roll_no)
    {
        this.roll_No = roll_no;
    }
}

输出

Student
getName
setName
getRoll_no
setRoll_no
name
roll_No

注意：对于每个加载的“ .class”文件，只创建一个类的对象。

Student s2 = new Student();
// c2 will point to same object where 
// c1 is pointing
Class c2 = s2.getClass();
System.out.println(c1==c2); // true

链接：执行验证、准备和（可选）解决方案。

• 验证：它确保.class文件的正确性，即检查该文件是否正确格式化并由有效的编译器生成。如果验证失败，我们会得到运行时异常Java.lang.VerifyError 。此活动由组件 ByteCodeVerifier 完成。一旦这个活动完成，那么类文件就可以编译了。
• 准备工作：JVM 为类变量分配内存并将内存初始化为默认值。
• 解决方案：这是用直接引用替换类型中的符号引用的过程。它是通过搜索方法区域来定位引用的实体来完成的。

初始化：在这个阶段，所有的静态变量都被分配了它们在代码和静态块（如果有的话）中定义的值。这在类中从上到下执行，在类层次结构中从父到子执行。
一般来说，有三种类加载器：

• 引导类加载器：每个 JVM 实现都必须有一个引导类加载器，能够加载受信任的类。它加载存在于“ JAVA_HOME/jre/lib”目录中的核心Java API 类。这条路径通常被称为引导路径。它以 C、C++ 等本地语言实现。
• 扩展类加载器：它是引导类加载器的子类。它加载扩展目录“ JAVA_HOME/jre/lib/ext” （扩展路径）或Java.ext.dirs 系统属性指定的任何其他目录中存在的类。它由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类在Java中实现。
• System/Application 类加载器：它是扩展类加载器的子类。它负责从应用程序类路径加载类。它在内部使用映射到Java.class.path 的环境变量。它也由sun.misc.Launcher$AppClassLoader类在Java中实现。

Java

// Java code to demonstrate Class Loader subsystem
public class Test {
    public static void main(String[] args)
    {
        // String class is loaded by bootstrap loader, and
        // bootstrap loader is not Java object, hence null
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
  
        // Test class is loaded by Application loader
        System.out.println(Test.class.getClassLoader());
    }
}

输出

null
jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@8bcc55f

注意： JVM 遵循Delegation-Hierarchy 原则来加载类。系统类加载器将加载请求委托给扩展类加载器，扩展类加载器将请求委托给引导类加载器。如果在引导路径中找到类，则加载该类，否则请求再次传输到扩展类加载器，然后再传输到系统类加载器。最后，如果系统类加载器无法加载类，那么我们会得到运行时异常Java.lang.ClassNotFoundException 。

JVM内存

1. 方法区：在方法区，存储了类名、直接父类名、方法和变量信息等所有类级别的信息，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：所有对象的信息都存放在堆区。每个 JVM 也有一个堆区。它也是一种共享资源。
3. 堆栈区：对于每个线程，JVM 创建一个存储在这里的运行时堆栈。该堆栈的每个块都称为激活记录/堆栈帧，其中存储方法调用。该方法的所有局部变量都存储在它们相应的框架中。线程终止后，其运行时堆栈将被 JVM 销毁。它不是共享资源。
4. PC寄存器：存放线程当前执行指令的地址。显然，每个线程都有单独的 PC 寄存器。
5. 本机方法堆栈：对于每个线程，都会创建一个单独的本机堆栈。它存储本机方法信息。

执行引擎

执行引擎执行“ .class” （字节码）。它逐行读取字节码，使用各种内存区域中存在的数据和信息并执行指令。它可以分为三个部分：

• 解释器：逐行解释字节码，然后执行。这里的缺点是当一个方法被多次调用时，每次都需要解释。
• 即时编译器（JIT） ：用于提高解释器的效率。它编译整个字节码并将其更改为本机代码，因此每当解释器看到重复的方法调用时，JIT 会为该部分提供直接的本机代码，因此不需要重新解释，从而提高了效率。
• 垃圾收集器：它销毁未引用的对象。有关垃圾收集器的更多信息，请参阅垃圾收集器。

Java本机接口（JNI）：

它是与本地方法库交互并提供执行所需的本地库（C、C++）的接口。它使 JVM 能够调用 C/C++ 库并被可能特定于硬件的 C/C++ 库调用。

本机方法库：

它是执行引擎所需的本机库（C、C++）的集合。