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JVM 的组成部分有什么

article 2025/3/7 4:29:40

JVM（Java Virtual Machine）主要由以下几个核心组成部分构成：

1. 类加载器子系统 (Class Loader Subsystem):

职责： 负责加载类文件（.class 文件）到 JVM 中。
主要组件：
- 启动类加载器 (Bootstrap Class Loader):
  - 负责加载 Java 核心类库（<JAVA_HOME>/jre/lib 目录下的 rt.jar、resources.jar 等）。
  - 是用 native code（C/C++）实现的，不是 Java 类。
  - 它是所有类加载器的根。
- 扩展类加载器 (Extension Class Loader):
  - 负责加载 Java 扩展类库（<JAVA_HOME>/jre/lib/ext 目录下的 jar 包，或者由 java.ext.dirs 系统属性指定的目录）。
  - 是 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 的实例。
- 应用程序类加载器 (Application Class Loader/System Class Loader):
  - 负责加载应用程序的类（classpath 下的类）。
  - 是 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 的实例。
  - 通常是默认的类加载器。
- 自定义类加载器 (User-Defined Class Loader):
  - 开发者可以自定义类加载器，继承 java.lang.ClassLoader 类，实现特殊的类加载逻辑（例如，从网络加载类、从数据库加载类、对类进行加密解密等）。
类加载机制：
- 双亲委派模型 (Parent Delegation Model):
  - 当一个类加载器需要加载类时，它首先会委托给它的父类加载器去加载。
  - 只有当父类加载器无法加载该类时（在其搜索范围内找不到该类），才由子类加载器尝试加载。
  - 优点：
    - 避免类的重复加载。
    - 保证 Java 核心类库的安全性（防止用户自定义的类替换核心类）。
- 加载过程：
  1. 加载 (Loading): 查找并加载类的二进制数据（.class 文件）。
  2. 链接 (Linking):
    - 验证 (Verification): 确保加载的类文件符合 JVM 规范，没有安全问题。
    - 准备 (Preparation): 为类的静态变量分配内存，并设置默认初始值（零值）。
    - 解析 (Resolution): 将类中的符号引用解析为直接引用（可选，可以延迟到运行时）。
  3. 初始化 (Initialization): 执行类的初始化代码（静态变量赋值、静态代码块）。

2. 运行时数据区 (Runtime Data Areas):

职责： JVM 在运行 Java 程序时管理的内存区域。
主要区域：
- 方法区 (Method Area):
  - 存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
  - 所有线程共享。
  - 在 HotSpot VM 中，方法区也被称为“非堆”（Non-Heap）或“永久代”（Permanent Generation，JDK 1.7 及之前）/“元空间”（Metaspace，JDK 1.8 及之后）。
  - 运行时常量池 (Runtime Constant Pool): 方法区的一部分，存放编译期生成的各种字面量和符号引用。
- 堆 (Heap):
  - 存储对象实例和数组。
  - 所有线程共享。
  - 是垃圾回收的主要区域。
  - 可以划分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
    - 新生代又可以划分为 Eden 区、Survivor from 区和 Survivor to 区。
- 虚拟机栈 (VM Stack):
  - 存储方法调用的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
  - 每个线程都有自己的虚拟机栈，栈的大小可以固定也可以动态扩展。
  - 如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度，则抛出 StackOverflowError。
  - 如果虚拟机栈可以动态扩展，但无法申请到足够的内存，则抛出 OutOfMemoryError。
- 本地方法栈 (Native Method Stack):
  - 与虚拟机栈类似，但用于支持 native 方法（使用 C、C++ 等编写的方法）的执行。
  - 每个线程都有自己的本地方法栈。
- 程序计数器 (Program Counter Register):
  - 记录当前线程正在执行的字节码指令的地址（行号）。
  - 每个线程都有自己的程序计数器。
  - 是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

3. 执行引擎 (Execution Engine):

职责： 负责执行 Java 字节码指令。
主要组件：
- 解释器 (Interpreter):
  - 逐条解释执行字节码指令。
  - 启动速度快，但执行速度慢。
- 即时编译器 (JIT Compiler):
  - 将热点代码（经常执行的代码）编译为本地机器码，提高执行效率。
  - 编译需要时间，但编译后的代码执行速度快。
  - HotSpot VM 中的 JIT 编译器：
    - Client Compiler (C1): 优化速度快，但优化程度较低。
    - Server Compiler (C2): 优化速度慢，但优化程度较高。
    - 分层编译 (Tiered Compilation): 根据程序的运行情况，选择不同的编译器进行优化（JDK 1.7 引入）。
- 垃圾回收器 (Garbage Collector):
  - 负责自动回收不再使用的对象，释放内存。
  - 不同的 JVM 实现有不同的垃圾回收器。
  - 常见的垃圾回收器：
    - Serial GC: 单线程垃圾回收器。
    - Parallel GC: 多线程垃圾回收器。
    - CMS GC (Concurrent Mark Sweep): 并发标记清除垃圾回收器。
    - G1 GC (Garbage-First): 一种面向服务端应用的垃圾回收器。
    - ZGC: 一种低延迟垃圾回收器.
    - Shenandoah: 一种低延迟垃圾回收器.
- 本地方法接口 (JNI, Java Native Interface):
  - 允许 Java 代码调用本地方法 (C/C++ 等编写的方法).

4. 本地库接口(Native Interface):

连接不同的编程语言, 为Java使用非Java代码编写的库提供支持.

JVM 架构图示：

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                                   JVM                                             |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|  +---------------------+   +------------------------+   +---------------------+  |
|  |  类加载器子系统     |   |      运行时数据区        |   |      执行引擎       |  |
|  | (Class Loader)     |   +------------------------+   +---------------------+  |
|  +---------------------+   |  +------------------+  |   |  +---------------+  |  |
|  |  - 启动类加载器       |   |  |  方法区 (Method Area) |  |   |  |  解释器       |  |  |
|  |  - 扩展类加载器       |   |  +------------------+  |   |  | (Interpreter)  |  |  |
|  |  - 应用程序类加载器    |   |  |   - 运行时常量池      |  |   |  +---------------+  |  |
|  |  - 自定义类加载器     |   |  +------------------+  |   |  +---------------+  |  |
|  +---------------------+   |  +------------------+  |   |  | 即时编译器    |  |  |
|                        |   |  |  堆 (Heap)        |  |   |  | (JIT Compiler)|  |  |
|                        |   |  +------------------+  |   |  |  - C1 (Client) |  |  |
|                        |   |  |   - 新生代       |  |   |  |  - C2 (Server) |  |  |
|                        |   |  |     - Eden       |  |   |  |  - 分层编译     |  |  |
|                        |   |  |     - Survivor   |  |   |  +---------------+  |  |
|                        |   |  |   - 老年代       |  |   |  +---------------+  |  |
|                        |   |  +------------------+  |   |  | 垃圾回收器   |  |  |
|                        |   |  +------------------+  |   |  | (GC)          |  |  |
|                        |   |  |  虚拟机栈 (VM Stack)  |  |   |  +---------------+  |  |
|                        |   |  +------------------+  |   |                        |  |
|                        |   |  +------------------+  |   |  +---------------+  |  |
|                        |   |  | 本地方法栈 (Native) |  |   |  |本地方法接口 |  |  |
|                        |   |  +------------------+  |   |  |   (JNI)       |  |  |
|                        |   |  +------------------+  |   |  +---------------+  |  |
|                        |   |  | 程序计数器 (PC)    |  |   |                        |  |
|                        |   |  +------------------+  |   |                        |  |
|                        |   +------------------------+   |                        |  |
|                        |                              |                        |  |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

总结：

JVM 主要由类加载器子系统、运行时数据区、执行引擎、本地库接口等组成。