Was ist die Java Virtual Machine (JVM) und wie funktioniert sie intern?

Was ist die Java Virtual Machine (JVM) und wie funktioniert sie intern?

Die Java Virtual Machine (JVM) ist eine kritische Komponente der Java Runtime Environment (JRE), mit der ein Computer Java -Programme ausführen kann. JVM ist plattformunabhängig, was bedeutet, dass Java-Bytecode auf jedem Gerät oder Betriebssystem mit einer JVM-Implementierung ausgeführt werden kann. Das JVM fungiert als Vermittler zwischen dem Java -Bytecode und der zugrunde liegenden Hardware und stellt sicher, dass Java -Anwendungen ohne Neuverdachung auf verschiedenen Plattformen ausgeführt werden können.

Intern arbeitet das JVM mehrere wichtige Phasen durch:

1. Laden: Wenn ein Java -Programm ausgeführt wird, lädt das JVM zuerst die .class -Dateien, die den Bytecode enthalten. Das Classloader -Subsystem ist für das Laden dieser Dateien in den Speicher verantwortlich.
2. Überprüfung: Nach dem Laden wird der Bytecode überprüft, um sicherzustellen, dass sie nicht gegen die Sicherheits- oder Integritätsbeschränkungen von Java verstößt. Dieser Schritt hilft, zu verhindern, dass bösartiger Code ausgeführt wird.
3. Vorbereitung: In dieser Phase weist das JVM Speicher für Klassenvariablen zu und initialisiert sie mit ihren Standardwerten.
4. Lösung: Dies beinhaltet die Lösung symbolischer Referenzen aus dem Code auf direkte Referenzen. Die JVM muss möglicherweise während dieser Phase zusätzliche Klassen laden.
5. Initialisierung: Die tatsächliche Initialisierung statischer Variablen und die Ausführung statischer Initialisiererblöcke treten während dieser Phase auf.
6. Ausführung: Der JVM führt die Bytecode -Anweisungen mithilfe einer Ausführungs -Engine aus. Die Ausführungsmotor kann aus einem Dolmetscher und einem Just-in-Time-Compiler (JIT-Time) bestehen. Der Interpreter liest und führt Bytecode -Anweisungen nacheinander aus, während der JIT -Compiler Bytecode für eine schnellere Ausführung in den nativen Maschinencode übersetzt.
7. Müllsammlung: JVM verwaltet die Speicherzuweisung und -verkleidung und stellt sicher, dass das nicht mehr benötigte Speicher durch die Müllsammlung zurückgefordert wird.

Was sind die Schlüsselkomponenten des JVM und deren Funktionen?

Das JVM besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten, die jeweils eine bestimmte Funktion bedienen:

1. Klassenlader -Subsystem: Diese Komponente ist für das Laden, Verknüpfen und Initialisieren von Klassen und Schnittstellen verantwortlich. Es verwendet einen hierarchischen Ansatz, um Klassen aus verschiedenen Quellen (z. B. lokale Dateisysteme, Netzwerkstandorte) zu laden.

2. Laufzeitdatenbereich (Speicherbereich): Dies umfasst mehrere Speicherbereiche, die während der Programmausführung verwendet werden:

   • Methodenbereich: Speichert Klassenstrukturen wie Laufzeit konstante Pool-, Feld- und Methodendaten.
   • Haufen Bereich: Speichert Objekte und wird unter allen Threads geteilt.
   • Stack Area: Enthält Frames, bei denen lokale Variablen und Teilergebnisse gespeichert werden. Jeder Thread hat seinen eigenen Stapel.
   • PC -Register: Hält die Adresse der aktuellen Anweisung, die vom Thread ausgeführt wird.
   • Native Method Stack: Ähnlich wie im Stapelbereich, aber für native Methoden verwendet.

3. Ausführungs -Engine: Diese Komponente führt die Bytecode -Anweisungen aus. Es enthält:

   • Interpreter: führt Bytecode One -Anweisungen gleichzeitig aus.
   • Just-in-Time (JIT) Compiler: Kompiliert Bytecode in den nativen Maschinencode für eine schnellere Ausführung.
   • Garbage Collector: Verwaltet das Speicher, indem sie Objekte zurückerobern, die nicht mehr verwendet werden.
4. Java Native Interface (JNI): Ermöglicht Java -Code, native Anwendungen und Bibliotheken aufzurufen und aufgerufen zu werden, die in anderen Sprachen wie C, C und Montage geschrieben wurden.
5. Native Methodenbibliotheken: Eine Sammlung nativer Bibliotheken, die von der JVM zur Unterstützung der Ausführung nativer Methoden erforderlich sind.

Wie verwaltet der JVM den Speicher und führt die Müllsammlung durch?

Die Speicherverwaltung in der JVM umfasst die Zuweisung und Deallocation of Speicher im Laufzeitbereich, insbesondere den Haufen und den Stapel. So verwaltet der JVM den Speicher:

1. Speicherzuweisung:

   • Stack -Speicher: Wird zum Speichern lokaler Variablen und Methodenaufrufdetails verwendet. Der Speicher wird automatisch zugewiesen und verhandelt, wenn Methoden aufgerufen und zurückgegeben werden.
   • Heap -Speicher: Wird zum Speichern von Objekten verwendet. Der Speicher wird zugewiesen, wenn neue Objekte erstellt werden, und bleibt verwendet, bis sie nicht mehr verwiesen werden.

2. Müllsammlung:

   • Die JVM verwendet die Müllsammlung, um den Heap -Speicher automatisch zu verwalten, indem sie Objekte identifizieren und entfernt, auf die nicht mehr verwiesen wird. Der Prozess beinhaltet:

     • MARK -Phase: Der Garbage Collector identifiziert, welche Objekte noch (erreichbar) werden, indem alle Referenzen aus den Wurzeln (globale Variablen, Stapelvariablen usw.) verfolgt werden.
     • Sweep -Phase: Der Müllkollektor holt den Speicher zurück, der von Objekten besetzt ist, die als Müll in der Markphase identifiziert wurden.
     • Kompakte Phase (optional): Einige Müllsammler bewegen überlebende Objekte, um den freien Raum zu konsolidieren und die Fragmentierung zu verringern.

   • Zu den allgemeinen Algorithmen zur Müllsammlung gehören:

     • Seriell GC: Geeignet für Einkleidungsumgebungen.
     • Parallel GC: Verwendet mehrere Fäden für die Müllsammlung, um die Leistung zu verbessern.
     • Gleichzeitige Marke Sweep (CMS) GC: Minimiert Pausen in Anwendungen, indem die meisten seiner Arbeiten gleichzeitig mit den Anwendungs ​​-Threads ausgeführt werden.
     • Garbage-First (G1) GC: Ausgelegt für große Haufen Speicherbereiche, Ausgleich in Pause und Durchsatz.

Welche Optimierungen gilt die JVM, um die Java -Anwendungsleistung zu verbessern?

Die JVM wendet mehrere Optimierungen an, um die Leistung von Java -Anwendungen zu verbessern:

1. Just-in-Time (JIT) -Kompilation:

   • Die JVM verwendet die JIT -Kompilierung, um Bytecode während der Laufzeit in nativen Maschinencode zu übersetzen. Dies führt zu erheblichen Leistungsverbesserungen, da der kompilierte Code viel schneller ausführt als interpretierte Bytecode.

2. Einbindung:

   • Der JIT -Compiler kann kleine Methoden in die Aufrufmethode einbeziehen, um den Overhead von Methodenaufrufen zu verringern. Diese Optimierung kann die Leistung erheblich verbessern, insbesondere in häufig bezeichneten Methoden.

3. Schleife entrollen:

   • Der JIT -Compiler kann Schleifen abrollen, um den Overhead der Schleifenregelung zu verringern und möglicherweise andere Optimierungen zu ermöglichen. Dies kann die Leistung verbessern, indem mehr Schleifen -Iterationen innerhalb einer einzelnen Schleifen -Iteration ausgeführt werden.

4. Dead Code Elimination:

   • Der JIT -Compiler kann Code erkennen und entfernen, der niemals ausgeführt wird, wodurch die Größe des kompilierten Codes verringert und die Laufzeitleistung verbessert wird.

5. Fluchtanalyse:

   • Diese Technik analysiert, ob Objekte auf dem Stapel anstelle des Haufens zugewiesen werden können, wodurch die Notwendigkeit einer Müllsammlung und die Verbesserung der Leistung möglicherweise verringert werden kann.

6. Adaptive Optimierung:

   • Der JVM überwacht kontinuierlich die Leistung der Anwendung und passt ihre Optimierungsstrategien dynamisch an. Beispielsweise kann es häufig ausgeführte Methoden zum nativen Code kompilieren und gleichzeitig weniger kritische Code zu interpretieren.

7. Profilgesteuerte Optimierung:

   • Das JVM verwendet Laufzeitprofildaten, um die Optimierungsentscheidungen zu leiten. Dies umfasst die Aufruffrequenzen für die Verfolgung von Methoden und Branchenvorhersagen, um die Optimierungsbemühungen auf die kritischsten Teile der Anwendung zu fokussieren.

Diese Optimierungen ermöglichen es dem JVM, die Leistung von Java -Anwendungen erheblich zu verbessern, indem sich die spezifischen Laufzeitmerkmale und Workload -Muster des ausgeführten Codes dynamisch anpassen.

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