一圖讀懂JVM架構解析
每個Java開發人員都知道字節碼經由JRE（Java運行時環境）執行。但他們或許不知道JRE其實是由Java虛擬機（JVM）實現，JVM分析字節碼，解釋并執行它。作為開發人員，了解JVM的架構是非常重要的，因為它使我們能夠編寫出更高效的代碼。本文中，我們將深入了解Java中的JVM架構和JVM的各個組件。
JVM
虛擬機是物理機的軟件實現。Java的設計理念是WORA（Write Once Run Anywhere，一次編寫隨處運行）。編譯器將Java文件編譯為Java .class文件，然后將.class文件輸入到JVM中，JVM執行類文件的加載和執行的操作。請看以下的JVM架構圖：
JVM是如何工作的？
如上面架構圖所示，JVM分為三個主要子系統：
- 類加載器子系統（Class Loader Subsystem）
- 運行時數據區（Runtime Data Area）
- 執行引擎（Execution Engine）
1. 類加載器子系統
Java的動態類加載功能由類加載器子系統處理，處理過程包括加載和鏈接，并在類文件運行時，首次引用類時就開始實例化類文件，而不是在編譯時進行。
1.1 加載
Boot Strap類加載器，Extension類加載器和Application（類加載器是實現類加載過程的三個類加載器。
(1) Boot Strap類加載器：負責從引導類路徑加載類，除了rt.jar，它具有最高優先級；
(2) Extension 類加載器：負責加載ext文件夾（jre \ lib）中的類；
(3) Application類加載器：負責加載應用程序級類路徑，環境變量中指定的路徑等信息。
上面的類裝載器在加載類文件時遵循委托層次算法（Delegation Hierarchy Algorithm）。
1.2 鏈接
(1) 驗證（Verify）：字節碼驗證器將驗證生成的字節碼是否正確，如果驗證失敗，將提示驗證錯誤；
(2) 準備（Prepare）：對于所有靜態變量，內存將會以默認值進行分配；
(3) 解釋（Resolve）：有符號存儲器引用都將替換為來自方法區（Method Area）的原始引用。
1.3 初始化
這是類加載的最后階段，所有的靜態變量都將被賦予原始值，并且靜態區塊將被執行。
2. 運行時數據區
運行時數據區可分為5個主要組件：
(1) 方法區（Method Area）：所有的類級數據將存儲在這里，包括靜態變量。每個JVM只有一個方法區，它是一個共享資源；
(2) 堆區域（Heap Area）：所有對象及其對應的實例變量和數組將存儲在這里。每個JVM也只有一個堆區域。由于方法和堆區域共享多個線程的內存，所存儲的數據不是線程安全的；
(3) 堆棧區（Stack Area）：對于每個線程，將創建單獨的運行時堆棧。對于每個方法調用，將在堆棧存儲器中產生一個條目，稱為堆棧幀。所有局部變量將在堆棧內存中創建。堆棧區域是線程安全的，因為它不共享資源。堆棧框架分為三個子元素：
- 局部變量數組（Local Variable Array）：與方法相關，涉及局部變量，并在此存儲相應的值
- 操作數堆棧（Operand stack）：如果需要執行任何中間操作，操作數堆棧將充當運行時工作空間來執行操作
- 幀數據（Frame Data）：對應于方法的所有符號存儲在此處。在任何異常的情況下，捕獲的區塊信息將被保持在幀數據中；
(4) PC寄存器（PC Registers）：每個線程都有單獨的PC寄存器，用于保存當前執行指令的地址。一旦執行指令，PC寄存器將被下一條指令更新；
(5) 本地方法堆棧（Native Method stacks）：本地方法堆棧保存本地方法信息。對于每個線程，將創建一個單獨的本地方法堆棧。
3 執行引擎
分配給運行時數據區的字節碼將由執行引擎執行，執行引擎讀取字節碼并逐個執行。
(1) 解釋器：解釋器更快地解釋字節碼，但執行緩慢。解釋器的缺點是當一個方法被調用多次時，每次都需要一個新的解釋；
(2) JIT編譯器：JIT編譯器消除了解釋器的缺點。執行引擎將在轉換字節碼時使用解釋器的幫助，但是當它發現重復的代碼時，將使用JIT編譯器，它編譯整個字節碼并將其更改為本地代碼。這個本地代碼將直接用于重復的方法調用，這提高了系統的性能。JIT的構成組件為：
- 中間代碼生成器（Intermediate Code Generator）：生成中間代碼
- 代碼優化器（Code Optimizer）：負責優化上面生成的中間代碼
- 目標代碼生成器（Target Code Generator）：負責生成機器代碼或本地代碼
- 分析器（Profiler）：一個特殊組件，負責查找熱點，即該方法是否被多次調用；
(3) 垃圾收集器(Garbage Collector)：收集和刪除未引用的對象。可以通過調用“System.gc（）”觸發垃圾收集，但不能保證執行。JVM的垃圾回收對象是已創建的對象。
Java本機接口（JNI）：JNI將與本機方法庫進行交互，并提供執行引擎所需的本機庫。
本地方法庫（Native Method Libraries）：它是執行引擎所需的本機庫的集合。
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