JVM如何工作 - JVM体系结构

Java虚拟机（JVM）是运行Java程序的核心组件。JVM使Java程序具有跨平台性和难以攻击性。本文将介绍JVM的体系结构，包括JVM的三部分、各个部分的作用以及它们如何协同工作。

JVM的三部分

JVM可以分成三个部分：

1. 类加载器（Class Loader）
2. 运行时数据区（Runtime Data Area）
3. 执行引擎（Execution Engine）

类加载器

Java程序由许多类（class）组成。JVM需要将这些类加载到内存中才能执行。类加载器就是加载Java类的组件。

类加载器的任务是：

• 将类文件读入内存；
• 检查类的字节码是否符合JVM规范；
• 将类的字节码转换成Java虚拟机能够理解的格式；
• 将类加载到内存中。

JVM默认提供了三个类加载器：

• Bootstrap Class Loader：加载Java的核心类库（比如java.lang包）。
• Extension Class Loader：加载Java扩展类库（比如javax包）。
• Application Class Loader：也称为 System Class Loader，用于加载应用程序类。

除了默认的类加载器，开发者还可以创建自定义的类加载器。

运行时数据区

运行时数据区是JVM的内存模型。每个Java线程都有自己的运行时数据区。

运行时数据区可以分成以下几个部分：

1. 堆（Heap）：存储对象实例
2. 方法区（Method Area）：存储已加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等
3. 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）：每个Java方法都会创建一个栈帧用于存储局部变量、操作数栈、方法返回值等
4. 本地方法栈（Native Method Stack）：为Java应用程序使用到的Native方法服务

执行引擎

执行引擎负责执行Java字节码，将Java程序转换成机器代码。

JVM支持两种执行引擎：

• 解释器（Interpreter）：逐行解释Java字节码并执行；
• 即时编译器（Just-In-Time Compiler，JIT）：将Java字节码编译成本地机器代码，并执行编译后的代码。

JVM会根据方法的被调用次数等因素来选择执行引擎。刚刚开始执行的Java程序会使用解释器执行，随着程序的运行，HotSpot JIT会尝试将频繁调用的方法编译为本地机器代码提高执行效率。

各部分的协同工作

JVM各个部分在执行Java程序时共同协作，下面是它们之间的交互关系：

1. 类加载器从磁盘中读入Java类。
2. 类加载器检查字节码格式是否符合规范，转换字节码格式至Java虚拟机中的运行时内部表示格式（Internal Representation Format）。
3. 类加载器将类初始化（loading）、连接（linking）和初始化（initializing）。
4. JVM在运行时数据区的堆中分配内存创建类的对象实例。
5. 当Java程序调用方法时，执行引擎将依据方法调用的情况选择执行器：解释器或即时编译器。
6. 执行引擎执行Java字节码。
7. Java程序结束时，由JVM执行垃圾回收（Garbage Collection）来清除无用的内存空间。

总结

JVM是Java程序的核心组件。JVM有三个部分：类加载器、运行时数据区和执行引擎。类加载器用于加载Java类，运行时数据区存储Java程序的状态，执行引擎负责执行Java程序。三个部分协同工作使得Java程序在任何平台上都能够运行。