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JVM 整体架构

1. 前言

本节内容主要是介绍 JVM 的整体架构，对 JVM 有一个宏观的认识，是本套课程的基础知识部分，虽然为基础知识，但是对整体架构的理解，是学习 JVM 课程的前提，所以要重视本节的内容学习。本节主要知识点如下：

  • 认识 JVM 整体结构，对 JVM 的各个模块作用有一个初步的了解，为本节基础内容；
  • 对「类加载子系统模块」，进行更加细粒度的模块划分介绍，重点从概念层面掌握类加载的步骤，为本节重点内容之一；
  • 对「运行时数据区」进行更加细粒度的模块划分介绍，重点先从概念层面，了解运行时数据区的五大模块定义及作用，为本节重点内容之一；
  • 对「执行引擎」进行更加细粒度的模块划分介绍，重点先从概念层面，了解执行引擎的三大模块定义及作用，其中包括垃圾回收器的初步介绍，为本节重点内容之一；
  • 了解 JVM 的生命周期，可视作本节课程的次重点内容。

本节内容是我们初次了解 JVM 整体架构，以及各模块的定义及作用，从概念的角度去了解 JVM 的各个模块，为我们后续对各模块的深入学习打下了良好的基础。

2. JVM 整体架构

我们首先来看看，JVM 的整体结构图，然后对每一个结构模块进行简单的介绍。

图片描述

从结构中可以看出，JVM 结构主要分为以上几个模块，其中部分重点模块内部还会细分责任更加明细的模块，此处先来简单了解下每个模块的作用。

  • Class 文件：主要指编译成字节码的 Java 文件，Class 文件才是 JVM 可以识别的文件，所以 Java 文件需要先进行编译才可进入 JVM 执行；
  • 类加载子系统：类的加载，主要负责从文件系统，或者网络中加载 Class 信息，并与运行时数据区进行交互；
  • 运行时数据区：主要包括五个小模块，Java 堆， Java 栈，本地方法栈，方法区，寄存器。后文对细节模块会有概念的介绍；
  • 执行引擎：分配给运行时数据区的字节码将由执行引擎执行，执行引擎读取字节码并逐个执行。垃圾回收器就是执行引擎的一部分；
  • 本地方法接口：本机方法库进行交互，并提供执行引擎所需的本机库；
  • 本地方法库：它是执行引擎所需的本机库的集合。

通过上文对JVM 整体结构的介绍，我们对JVM有了一定的认识。但是对于上图所示的JVM 整体架构图，还是感觉很抽象，感觉并不直观。那么我们再继续看下图，通过 6 个步骤，来简单的描述下，一个 Java 文件在 JVM 中的流转过程。

图片描述

我们对上图中的 6 个步骤，逐一进行介绍：

  • 步骤 1 ： 我们的 Demo.java 文件，通过 JDK 的 javac 命令，成功的被编译成为额 Demo.class 文件；
  • 步骤 2 ：JVM 有自己的类加载器，将编译好的 Demo.class文件进行了加载；
  • 步骤 3 ：类加载器将加载的 Demo.class文件投放到了运行时数据区，供程序执行使用；
  • 步骤 4 ：运行时数据区将字节码文件，交给执行引擎执行；
  • 步骤 5 ：执行引擎执行完毕，会对运行时数据区的数据进行操作，比如说垃圾回收机制是执行引擎的一部分，垃圾回收机制，针对的是运行时数据区的堆空间，后续我们会详细讲解；
  • 步骤 R ：我们发现图中有很多步骤 R ，此处 R 代表 Random，即随机发生的步骤。其实就是我们在执行过程中的一个本地方法的调用，只要我们的程序在运行过程中需要调用本地方法，那么步骤R就会发生。

Tips：此处仅仅是一个简要的介绍，后文会对重点部分进行更加细粒度的模块介绍。此处需要同学记住整体 JVM 结构框架，方便后续知识的学习。

3. 类加载子系统

Java 的动态类加载功能由类加载器子系统处理，处理过程包括加载、链接和初始化。如下图所示，展现了类加载子系统的处理过程。

图片描述

我们来介绍下上图中类加载子系统的三个步骤：

加载：通过三种不同的类加载器对 Class 文件进行加载，后续章节会对三种类加载器单独进行讲解。我们也可以自定义类加载器，通过复写 classLoader 方法可以实现自定义的类加载器。

链接：链接阶段会对加载好的 Class 文件进行字节码、静态变量、方法引用等进行验证和解析，为初始化做准备。

初始化：类加载的最后阶段，对类进行初始化。

Tips：类加载子系统是非常复杂的，其实加载（Loading）和链接（Linking）部分还能够进行更加细致的过程划分。鉴于我们刚刚接触 JVM，此处点到即止。不过不用担心，后续的章节会对加载（Loading）和链接（Linking）这两个部分进行更加细粒度的划分以及更加细致的讲解，我们循序渐进，步步为营。

4. 运行时数据区

如下图运行时数据区共包含如下 5 个模块，方法区，Java 栈，本地方法栈，堆和程序计数器。

图片描述

Tips：方法区和堆为共享内存区域，多线程环境下共享这两块内存区域。 Java 栈，本地方法栈和程序计数器为线程私有部分，私有数据对其他线程不可见。

我们下边来介绍下运行时数据区的五个模块：

  • 方法区（Method Area）：所有的类级数据将存储在这里，包括静态变量。每个 JVM 只有一个方法区，它是一个共享资源；

  • 堆区域（Heap Area）：所有对象及其对应的实例变量和数组将存储在这里。每个 JVM 也只有一个堆区域。由于方法和堆区域共享多个线程的内存，所存储的数据不是线程安全的；

  • 栈区（Stack Area）：对于每个线程，将创建单独的运行时栈。对于每个方法调用，将在栈存储器中产生一个条目，称为栈帧。所有局部变量将在栈内存中创建。栈区域是线程安全的，因为它不共享资源；

  • PC寄存器（PC Registers）：也称作程序计数器。每个线程都有单独的 PC 寄存器，用于保存当前执行指令的地址。一旦执行指令，PC 寄存器将被下一条指令更新；

  • 本地方法栈（Native Method stacks）：本地方法栈保存本地方法信息。对于每个线程，将创建一个单独的本地方法栈。

5. 执行引擎

如下图执行引擎共包含如下三个模块，解释器，JIT 编译器和垃圾回收器。

图片描述

Tips：垃圾回收器是本模块的重中之重，也是 JVM 的重中之重。后续会有专门的小节内容对垃圾回收器进行细致的讲解。

我们下边来介绍下执行引擎的三个模块：

  • 解释器：解释器是作用于字节码的解释。解释器的缺点是当一个方法被调用多次时，每次都需要一个新的解释；

  • JIT 编译器：JIT 编译器消除了解释器的缺点。执行引擎将在转换字节码时使用解释器的帮助，但是当它发现重复的代码时，将使用 JIT 编译器，这提高了系统的性能；

  • 垃圾回收器（Garbage Collector）：收集和删除未引用的对象。可以通过调用 System.gc() 触发垃圾收集。

6. 小结

本节主要是对 JVM 的整体框架进行介绍，了解整体架构是学习 JVM 的基本前提。后续我们会对每一个模块进行展开讲解，所有的知识点都是围绕 JVM 的架构展开的，本节内容非常重要，一定要认真的学习。