Qu'est-ce que la machine virtuelle Java (JVM) et comment fonctionne-t-elle en interne?

Qu'est-ce que la machine virtuelle Java (JVM) et comment fonctionne-t-elle en interne?

La machine virtuelle Java (JVM) est un composant critique de l'environnement d'exécution Java (JRE) qui permet à un ordinateur d'exécuter des programmes Java. JVM est indépendant de la plate-forme, ce qui signifie qu'il peut exécuter Java Bytecode sur n'importe quel appareil ou système d'exploitation qui a une implémentation JVM. Le JVM agit comme un intermédiaire entre le bytecode Java et le matériel sous-jacent, garantissant que les applications Java peuvent être exécutées sans avoir besoin de recompilation sur différentes plates-formes.

En interne, le JVM fonctionne à travers plusieurs phases clés:

1. Chargement: Lorsqu'un programme Java est exécuté, le JVM charge d'abord les fichiers .class contenant le bytecode. Le sous-système Classloader est responsable du chargement de ces fichiers dans la mémoire.
2. Vérification: Une fois chargée, le bytecode est vérifié pour s'assurer qu'il ne viole pas les contraintes de sécurité ou d'intégrité de Java. Cette étape aide à empêcher l'exécution du code malveillant.
3. Préparation: Dans cette phase, le JVM alloue la mémoire pour les variables de classe et les initialise à leurs valeurs par défaut.
4. Résolution: Cela implique de résoudre les références symboliques du code aux références directes. Le JVM pourrait avoir besoin de charger des classes supplémentaires au cours de cette phase.
5. Initialisation: L'initialisation réelle des variables statiques et l'exécution de blocs d'initialisateur statique se produisent pendant cette phase.
6. Exécution: le JVM exécute les instructions ByteCode à l'aide d'un moteur d'exécution. Le moteur d'exécution peut être composé d'un interprète et d'un compilateur juste en temps (JIT). L'interprète lit et exécute les instructions bytecode une par une, tandis que le compilateur JIT traduit ByteCode en code machine natif pour une exécution plus rapide.
7. Collection des ordures: JVM gère l'allocation et la transmission de la mémoire, garantissant que la mémoire qui n'est plus nécessaire est récupérée via la collecte des ordures.

Quels sont les composants clés du JVM et de leurs fonctions?

Le JVM est composé de plusieurs composants clés, chacun servant une fonction spécifique:

1. Sous-système de chargeur de classe: ce composant est responsable du chargement, de la liaison et de l'initialisation des classes et des interfaces. Il utilise une approche hiérarchique pour charger les classes à partir de différentes sources (par exemple, systèmes de fichiers locaux, emplacements réseau).

2. Zone de données d'exécution (zone de mémoire): Cela comprend plusieurs domaines de mémoire utilisés lors de l'exécution du programme:

   • Zone de méthode: stocke les structures de classe comme les données de pool, de champ et de méthode constantes.
   • Zone de tas: stocke des objets et est partagé entre tous les threads.
   • Zone de pile: contient des trames où les variables locales et les résultats partiels sont stockés. Chaque fil a sa propre pile.
   • PC REGISTERS: contient l'adresse de l'instruction actuelle en cours d'exécution par le thread.
   • Pile de méthode native: similaire à la zone de pile mais utilisée pour les méthodes natives.

3. Moteur d'exécution: ce composant exécute les instructions de bytecode. Il comprend:

   • Interpréteur: exécute Bytecode une instruction à la fois.
   • Compilateur Just-in-Time (JIT): compile bytecode dans le code machine natif pour une exécution plus rapide.
   • Garbage Collector: gère la mémoire en récupérant des objets qui ne sont plus utilisés.
4. Interface native Java (JNI): permet au code Java d'appeler et d'être appelé par des applications et des bibliothèques natives écrites dans d'autres langues telles que C, C et l'assemblage.
5. Bibliothèques de méthodes natives: une collection de bibliothèques natives requises par le JVM pour soutenir l'exécution des méthodes natives.

Comment le JVM gère-t-il la mémoire et effectue-t-elle la collection de déchets?

La gestion de la mémoire dans le JVM implique l'allocation et le traitement de la mémoire dans la zone de données d'exécution, en particulier le tas et la pile. Voici comment le JVM gère la mémoire:

1. Attribution de la mémoire:

   • Mémoire de pile: utilisé pour stocker les variables locales et les détails d'invocation de la méthode. La mémoire est allouée et traitée automatiquement à mesure que les méthodes sont appelées et renvoyées.
   • Mémoire de tas: utilisé pour stocker des objets. La mémoire est allouée lorsque de nouveaux objets sont créés et restent utilisés jusqu'à ce qu'ils ne soient plus référencés.

2. Collection des ordures:

   • Le JVM utilise la collection des ordures pour gérer automatiquement la mémoire du tas en identifiant et en supprimant des objets qui ne sont plus référencés. Le processus implique:

     • Phase de marque: Le collecteur des ordures identifie les objets toujours utilisés (accessibles) en traçant toutes les références à partir des racines (variables globales, variables de pile, etc.).
     • Phase de balayage: Le collecteur des ordures récupère la mémoire occupée par des objets identifiés comme des ordures dans la phase de marque.
     • Phase compacte (facultative): Certains collecteurs d'ordures déplacent des objets survivants pour consolider l'espace libre et réduire la fragmentation.

   • Les algorithmes de collecte de déchets communs comprennent:

     • GC série: adapté aux environnements monomodérs.
     • Parallel GC: utilise plusieurs fils de collecte pour la collecte des ordures pour améliorer les performances.
     • MARK STAYAGE (CMS) GC: minimise les pauses dans les applications en effectuant la plupart de ses travaux en même temps que les threads d'application.
     • Garbage-First (G1) GC: Conçu pour les grandes zones de mémoire de tas, équilibrant les temps de pause et le débit.

Quelles optimisations le JVM s'applique-t-il pour améliorer les performances de l'application Java?

Le JVM applique plusieurs optimisations pour améliorer les performances des applications Java:

1. Compilation juste à temps (JIT):

   • Le JVM utilise la compilation JIT pour traduire Bytecode en code machine natif pendant l'exécution. Il en résulte des améliorations de performances significatives car le code compilé exécute beaucoup plus rapidement que les bytecode interprétés.

2. Inclinaison:

   • Le compilateur JIT peut entendre de petites méthodes dans la méthode d'appel pour réduire la surcharge des appels de méthode. Cette optimisation peut améliorer considérablement les performances, en particulier dans les méthodes fréquemment appelées.

3. Boucle de boucle:

   • Le compilateur JIT peut dérouler les boucles pour réduire les frais généraux du contrôle de la boucle et potentiellement permettre d'autres optimisations. Cela peut améliorer les performances en exécutant plus d'itérations de boucle dans une seule itération de boucle.

4. Élimination du code mort:

   • Le compilateur JIT peut détecter et supprimer le code qui n'est jamais exécuté, réduisant la taille du code compilé et améliorant les performances d'exécution.

5. Analyse d'évasion:

   • Cette technique analyse si les objets peuvent être alloués sur la pile au lieu du tas, réduisant potentiellement le besoin de collecte des ordures et d'amélioration des performances.

6. Optimisation adaptative:

   • Le JVM surveille en continu les performances de l'application et ajuste dynamiquement ses stratégies d'optimisation. Par exemple, il peut compiler des méthodes fréquemment exécutées au code natif tout en laissant le code moins critique à interpréter.

7. Optimisation guidée par le profil:

   • Le JVM utilise des données de profilage d'exécution pour guider ses décisions d'optimisation. Cela inclut les fréquences d'invocation des méthodes de suivi et les prévisions de branche pour concentrer les efforts d'optimisation sur les parties les plus critiques de l'application.

Ces optimisations permettent au JVM d'améliorer considérablement les performances des applications Java en s'adaptant dynamiquement aux caractéristiques d'exécution spécifiques et aux modèles de charge de travail du code exécuté.

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