圖文詳解JVM體系結構

這篇文章圖文詳解JVM體系結構

JVM 是一種抽象的計算機，基於堆疊架構，它有自己的指令集和記憶體管理，是Java 跨平台的依據，JVM解釋執行字節碼，或將字節碼編譯成本地程式碼執行。 Java 虛擬機體系架構如下：

Class File

Class File 是平台無關的二進位文件，包含著能被JVM執行的字節碼，其中多字節採用大端序，字元使用一種改進的UTF-8編碼。 Class檔案精確的描述了一個類別或介面的訊息，其中包括：

• #常數池：數值和字串字面常數，元資料如類別名稱、方法名稱、參數，以及各種符號引用

• #方法的字節碼指令，參數個數，局部變數，最大操作數棧深度，異常等資訊

#Class Loader

類別載入器，JVM在類別首次使用時動態的載入、連結和初始化。 JVM預設的載入模型是雙親委派模型，類別載入器之間存在父子關係的層次結構，內部使用組合實作。另外還有其他的加載方式，例如Servlet加載，它先嘗試自己加載，不成功再委派上層加載器，類別隔離；OSGI加載器之間是一種網狀的依賴關係，沒有上下層的區分，比較靈活。

載入

載入就是將Class檔案表示的類別或接口，在JVM方法區中建立一個與之對應的java.lang.Class對象，像Class.forName()、ClassLoader.loadClass()、反射都能觸發類別載入。當觸發一個類別載入時，詳細的過程如下：

• 檢查類別是否已經被載入

• 將載入請求委派給上層類別加載器

• 自己嘗試搜尋類別並載入

當ClassLoader在classpath中找不到類別文件，就會拋出ClassNotFoundException；當類別A引用類別B，類別A已經成功加載，但是載入B時未找到類別文件，會拋出NoClassDefFoundError。 JVM有以下幾個類別載入器：

• Bootstrap ClassLoader，啟動類別載入器，載入\jre\lib 中Java 核心類別庫

• Extension ClassLoader，擴充類別載入器，載入\jre\lib\ext 中的類別

• #System ClassLoader，系統類別載入器，也叫應用程式程式類別載入器（Application class loader），載入CLASSPATH 環境變數中的類別

#連結

• 驗證：確保class檔案的正確性。

• 準備：為類別靜態欄位分配記憶體並初始化為預設值，不會執行任何字節碼指令。

• 解析：將符號引用轉為方法區（執行時間常數池）直接引用

初始化

#執行類初始化方法，即賦值靜態字段，執行靜態區塊，順序依照其定義的先後。父類別的靜態域會先於子類別靜態域初始化。
至此，一個類別或介面被載入到了記憶體中，JVM會保證整個過程是線程安全的。需要注意的是整個過程沒有涉及任何實例物件。

執行階段資料區

• Method Area：執行緒共享，儲存執行時間常數池、類別欄位和方法資訊、靜態變數和方法的字節碼，是堆的邏輯組成部分，這部分的垃圾回收是可選的。值得一提的是Hotspot JVM自JDK8之後，調整了這部分內存的內容，class meta-data的分配使用本地內存，interned String和類別靜態變數移動到了Java堆。

• 運行時常數池：對於JVM來說具有核心作用，基本上涉及方法或字段，JVM就會在運行時常數池中搜尋其特定的記憶體位址。

• Heap：線程共享，儲存實例對象，實例變數以及陣列，是垃圾回收的主要區域。

• JVM Stack：執行緒私有，用於儲存堆疊幀，當方法被呼叫時會建立一個堆疊幀入棧，堆疊幀由以下幾部分組成：

• 局部變數表：從0開始儲存this、方法參數、局部變數。

• 操作數棧：方法的工作區，在操作數棧和局部變數之間交換數據，儲存中間結果，操作數棧深度在編譯時就能確定。

• 幀資料：方法傳回值，異常分派，以及目前方法所在類別運行時常數池的參考。

• PC Register：執行緒私有，保存目前指令位址，執行後指向下一指令位址。

• Native Method Stack：執行緒私有，儲存本機方法信息，C或C++堆疊。

執行引擎

讀取、翻譯、執行字節碼。 JVM基於棧架構，這個棧就是操作數棧，字節碼指令就是透過它進行各種運算。此外還有基於暫存器的虛擬機器。

• Interpreter，翻譯：解釋字節碼比較快，執行慢，缺點是每次方法呼叫都要重新翻譯解釋一遍。

• JIT Compiler，即時編譯：找出程式中頻繁呼叫的熱點方法，將字節碼編譯成本地程式碼，提高效能。

• Garbage Collector，垃圾收集器：回收無效對象，判斷對像是否可回收，可採用不同的垃圾回收演算法。

本機方法介面和函式庫

JNI，呼叫本機方法，c/c++函式庫；執行引擎所需的本機方法函式庫。

小結

主流JVM的實作有Oracle的Hotspot JVM、JRockit以及IBM的JVM。說到JVM調優，預設指的就是Hotspot VM，足見其流行程度。如今搞Java不去了解JVM就顯得有點low了-v-。
要寫出高品質程式碼，不僅要了解JVM，像調優，問題排查等都需要完備的電腦基礎知識，其實無論用什麼語言開發，都是一個建構和完善自身電腦知識體系的過程。

以上是圖文詳解JVM體系結構的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！