JVM 的不同组成部分分别有什么作用?
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):
-
作用:
- 加载类: 负责查找并加载 Java 类文件(.class 文件)到 JVM 中。 类文件可以来自本地文件系统、网络、JAR 包等。
- 链接类: 将加载的类合并到 JVM 的运行时状态中,包括验证、准备和解析(可选)三个阶段。
- 验证 (Verification): 确保类文件的结构符合 JVM 规范,并且不会危害 JVM 的安全。
- 准备 (Preparation): 为类的静态变量分配内存,并设置默认初始值(例如,int 类型的默认值为 0,boolean 类型的默认值为 false)。
- 解析 (Resolution): 将类、接口、字段和方法的符号引用解析为直接引用(可选,可以延迟到运行时)。
- 初始化类: 执行类的初始化代码(静态变量赋值和静态代码块)。
-
类加载器类型:
- 启动类加载器 (Bootstrap Class Loader): 加载 Java 核心类库(
<JAVA_HOME>/jre/lib
)。 - 扩展类加载器 (Extension Class Loader): 加载 Java 扩展类库(
<JAVA_HOME>/jre/lib/ext
或java.ext.dirs
指定的目录)。 - 应用程序类加载器 (Application Class Loader): 加载应用程序的类(classpath)。
- 自定义类加载器: 开发者可以自定义类加载器,实现特殊的类加载逻辑。
- 启动类加载器 (Bootstrap Class Loader): 加载 Java 核心类库(
-
双亲委派模型: 除了启动类加载器,每个类加载器都有一个父类加载器。当一个类加载器需要加载类时,它首先会委托给父类加载器去加载,只有当父类加载器无法加载时,才由自己加载。
2. 运行时数据区 (Runtime Data Areas):
- 作用: JVM 在运行 Java 程序时管理的内存区域,用于存储程序运行过程中需要的数据。
- 主要区域:
-
方法区 (Method Area):
- 存储内容: 类信息(类名、父类、接口、字段、方法等)、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。
- 共享性: 所有线程共享。
- HotSpot VM 中的实现:
- JDK 1.7 及之前:永久代 (Permanent Generation)。
- JDK 1.8 及之后:元空间 (Metaspace)(使用本地内存)。
- 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):
- 存储内容: 对象实例和数组。
- 共享性: 所有线程共享。
- 垃圾回收: 是垃圾回收的主要区域。
- 划分: 通常划分为新生代(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):
- 存储内容: 方法调用的局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
- 共享性: 每个线程都有自己的虚拟机栈(线程私有)。
- 栈帧 (Stack Frame): 每次方法调用都会创建一个栈帧,用于存储方法的局部变量等信息。方法执行完毕后,栈帧会被销毁。
- 异常:
StackOverflowError
: 线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度。OutOfMemoryError
: 虚拟机栈无法申请到足够的内存(如果可以动态扩展)。
-
本地方法栈 (Native Method Stack):
- 存储内容: 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。
- 共享性: 每个线程都有自己的本地方法栈(线程私有)。
-
程序计数器 (Program Counter Register):
- 存储内容: 当前线程正在执行的字节码指令的地址(行号)。
- 共享性: 每个线程都有自己的程序计数器(线程私有)。
- 特点: 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):
- 作用: 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。
- 优点:启动速度快,不需要等待编译。
- 缺点:执行速度慢,特别是对于频繁执行的代码。
-
即时编译器 (JIT Compiler):
- 将热点代码(经常执行的代码,例如循环体、频繁调用的方法)编译为本地机器码,提高执行效率。
- 优点:执行速度快(接近本地代码)。
- 缺点:编译需要时间,会增加启动时间。
- HotSpot VM 中的 JIT 编译器:
- Client Compiler (C1): 优化速度快,但优化程度较低。适用于客户端应用或对启动速度要求较高的场景。
- Server Compiler (C2): 优化速度慢,但优化程度较高。适用于服务端应用或对性能要求较高的场景。
- 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。
- 第 0 层: 解释执行。
- 第 1 层: 使用 C1 编译,不开启 profiling。
- 第 2 层: 使用 C1 编译,仅开启方法和循环回边的 profiling。
- 第 3 层: 使用 C1 编译,开启所有 profiling。
- 第 4 层: 使用 C2 编译。
-
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
- Parallel GC
- CMS GC (Concurrent Mark Sweep)
- G1 GC (Garbage-First)
- ZGC
- Shenandoah
-
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).
-
总结:
JVM 组成部分 | 作用 |
---|---|
类加载器子系统 | 加载类文件(.class 文件)到 JVM 中,包括加载、链接(验证、准备、解析)和初始化三个阶段。 |
运行时数据区 | JVM 在运行 Java 程序时管理的内存区域,包括方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。 |
执行引擎 | 执行 Java 字节码指令,包括解释器、即时编译器、垃圾回收器。 |
本地方法接口(JNI) | 允许Java代码与本地代码(通常是C或C++)交互 |