JAVA的美丽是JVM。

只要你使用java，你迟早会接触到Java虚拟机（JVM）。

背景

1995年，James Gosling为Sun Microsystems设计了JAVA，Java是一种多范式（即面向对象类、结构、命令式、泛型、反光、并发）编程语言，深受数百万开发人员的喜爱。在任何给定的排名指数上，Java成为过去15年来最受欢迎的语言。在过去的15年里，开发的数万个企业应用程序大多是用Java编写的，使其成为构建企业级生产软件系统的首选语言。尽管自从我意识到Java生态系统性能方面的力量以来，我一直在使用Java，它激励着更深入地挖掘Java的世界。

JVM — JAVA虚拟机

JVM是Java生态系统的核心，它使基于Java的软件程序能够遵循WORA“写一次，在任何地方运行”方法。您可以在一台机器上编写Java代码，并使用JVM在任何其他机器上运行。

JVM最初设计为仅支持Java。然而，随着时间的推移，Java平台采用了许多其他语言，如Scala、Kotlin和Groovy。所有这些语言统称为JVM语言。

JVM的工作原理，以及各种组件。

你觉得呢？什么是虚拟机？

在我们看到JVM的概念之前，让我们看看虚拟机（VM）的概念。

虚拟机是物理计算机的虚拟表示。我们可以称虚拟机为来宾机，它运行的物理计算机是主机。

一台物理机器可以运行多台虚拟机，每台虚拟机都有自己的操作系统和应用程序。这些虚拟机彼此隔离，它们看起来就像一个真正的计算机操作系统。

什么是Java虚拟机（JVM）？

在C和C++等编程语言中，代码首先编译成特定于平台的机器代码。这些语言被称为编译语言。

另一方面，在JavaScript和Python等语言中，计算机直接执行指令，而无需编译它们。这些语言被称为解释语言。

Java使用这两种技术的组合。Java代码首先编译为字节代码以生成类文件。然后，Java虚拟机为底层平台解释此类文件。同一类文件可以在任何平台和操作系统上运行的任何版本的JVM上执行。

与虚拟机类似，JVM在主机上创建一个隔离空间。无论机器的平台或操作系统如何，此空间都可以用于执行Java程序。

Java虚拟机架构

JVM由三个不同的组件组成：

1. 类加载器
2. 运行时数据区域
3. 执行引擎

现在我们将详细看到他们每个人。

类加载器

当您编译.java源文件时，它会作为.class文件转换为字节代码。当您尝试在程序中使用此类时，类加载程序会将其加载到主内存中。

加载到内存中的第一个类通常是包含main()方法的类。

类加载过程有三个阶段：加载、链接和初始化。

正在加载 —

加载涉及获取具有特定名称的类或接口的二进制表示（字节码），并从中生成原始类或接口。

Java中有三个内置的类加载程序：

Bootstrap类加载程序—这是根类加载程序。它是扩展类加载器的超类，并加载标准Java软件包，如java.lang、java.net、java.util、java.io等。这些软件包存在于rt.jar文件和$JAVA_HOME/jre/lib目录中的其他核心库中。

扩展类加载器—这是Bootstrap类加载程序的子类和应用程序类加载程序的超类。这加载了$JAVA_HOME/jre/lib/ext目录中存在的标准Java库的扩展。

应用程序类加载程序—这是扩展类加载程序的最后一个类加载程序和子类。它加载类路径上存在的文件。默认情况下，类路径设置为应用程序的当前目录。也可以通过添加-classpath或-cp命令行选项来修改类路径。

JVM使用ClassLoader.loadClass()方法将类加载到内存中。它试图根据完全限定的名称加载类。

如果父类加载程序找不到类，它会将工作委托给子类加载程序。如果最后一个子类加载程序也无法加载该类，它将抛出NoClassDefFoundError或ClassNotFoundException。

链接 —

类加载到内存中后，它会经历链接过程。链接类或接口涉及将程序的不同元素和依赖项组合在一起。

链接包括以下步骤：

验证—此阶段通过根据一组约束或规则检查.class文件来检查其结构正确性。如果验证因某种原因失败，我们将获得VerifyException。

例如，如果代码是使用Java 11构建的，但在安装了Java 8的系统上运行，则验证阶段将失败。

准备—在此阶段，JVM为类或接口的静态字段分配内存，并使用默认值初始化它们。

例如，假设您在类中声明了以下变量：

private static final boolean doit = true;

在准备阶段，JVM为变量doit分配内存，并将其值设置为布尔值的默认值，这是false的。

分辨率—在此阶段，符号引用被运行时常量池中存在的直接引用所取代。例如，如果您对其他类中存在的其他类或常量变量有引用，它们将在此阶段得到解决，并替换为它们的实际引用。

初始化 —

初始化涉及执行类或接口的初始化方法（称为<clinit>）。这可以包括调用类的构造函数，执行静态块，并为所有静态变量分配值。这是类加载的最后阶段。

例如，当我们早些时候声明以下代码时：

private static final boolean doit= true;

在准备阶段，变量doit被设置为false的默认值。在初始化阶段，该变量被分配其true值。

注意—JVM是多线程的。可能会发生多个线程试图同时初始化同一类。这可能会导致并发问题。您需要处理线程安全，以确保程序在多线程环境中正常工作。

运行时数据区域

运行时数据区域内有五个组件

方法区域—

所有类级数据，如运行时常量池、字段和方法数据，以及方法和构造函数的代码，都存储在这里。

如果方法区域中可用的内存不足以启动程序，JVM会抛出OutOfMemoryError。

方法区域是在虚拟机启动时创建的，每个JVM只有一个方法区域。

堆面积—

所有对象及其相应的实例变量都存储在这里。这是分配所有类实例和数组内存的运行时数据区域。

该堆是在虚拟机启动时创建的，每个JVM只有一个堆区域。

注意：由于方法和堆区域为多个线程共享相同的内存，因此存储在这里的数据不是线程安全的。

堆栈区域-

每当在JVM中创建新线程时，也会同时创建一个单独的运行时堆栈。所有局部变量、方法调用和部分结果都存储在堆栈区域中。

如果线程中正在完成的处理需要比可用堆栈大小更大的堆栈大小，JVM会抛出StackOverflowError。

对于每个方法调用，堆栈内存中都有一个条目，称为堆栈框架。当方法调用完成后，堆栈框架将被销毁。

堆栈框架分为三个子部分：

• 局部变量—每个帧都包含一个称为其局部变量的变量数组。所有局部变量及其值都存储在这里。此数组的长度在编译时确定。
• 操作数堆栈—每个帧都包含一个最后入先出（LIFO）堆栈，称为其操作数堆栈。这充当执行任何中间操作的运行时工作区。此堆栈的最大深度在编译时确定。
• 帧数据—与该方法对应的所有符号都存储在这里。在出现异常时，这也存储捕获块信息。

注意：由于堆栈区域不是共享的，因此它本质上是线程安全的。

程序计数器（PC）寄存器-

JVM同时支持多个线程。每个线程都有自己的PC寄存器来保存当前执行的JVM指令的地址。指令执行后，PC寄存器将更新为下一个指令。

原生方法堆栈-

JVM包含支持本机方法的堆栈。这些方法是用Java以外的语言编写的，例如C和C++。对于每个新线程，还分配一个单独的本机方法堆栈。

执行引擎—

一旦字节码加载到主内存中，并且运行时数据区域中有详细信息，下一步就是运行程序。执行引擎通过执行每个类中存在的代码来处理这个问题。

但是，在执行程序之前，字节码需要转换为机器语言指令。JVM可以使用解释器或JIT编译器作为执行引擎。

口译员—

解释器逐行读取和执行字节码指令。由于逐行执行，解释器相对较慢。

解释器的另一个缺点是，当多次调用方法时，每次都需要新的解释。

JIT编译器—

JIT编译器克服了口译员的缺点。执行引擎首先使用解释器执行字节代码，但当它找到一些重复的代码时，它使用JIT编译器。

然后，JIT编译器编译整个字节码并将其更改为本机代码。此原生机器代码直接用于重复的方法调用，这提高了系统的性能。

JIT编译器具有以下组件：

1. 中级代码生成器 - 生成中间代码
2. 代码优化器—优化中间代码以获得更好的性能
3. 目标代码生成器-将中间代码转换为本机代码
4. 分析器—查找热点（重复执行的代码）

注意：JIT编译器编译代码比解释器逐行解释代码花费的时间要多。如果您只运行一次程序，使用解释器会更好。

垃圾收集器—

垃圾收集器（GC）从堆区收集和删除未引用的对象。这是通过销毁运行时未使用的内存自动回收它们的过程。

垃圾收集使Java内存高效，因为它从堆内存中删除了未引用的对象，并为新对象提供了可用空间。它涉及两个阶段：

1. 标记—在此步骤中，GC标识内存中未使用的对象
2. 扫描—在此步骤中，GC删除上一阶段确定的对象

垃圾收集由JVM定期自动完成，无需单独处理。它也可以通过调用System.gc()触发，但不能保证执行。

JVM包含3种不同类型的垃圾收集器：

1. 串行GC—这是GC最简单的实现，专为在单线程环境中运行的小型应用程序而设计。它使用单个线程进行垃圾收集。当它运行时，它会导致一个“停止世界”事件，整个应用程序被暂停。使用串行垃圾收集器的JVM参数是-XX:+UseSerialGC
2. 并行GC—这是JVM中GC的默认实现，也称为吞吐量收集器。它使用多个线程进行垃圾收集，但在运行时仍然暂停应用程序。使用并行垃圾收集器的JVM参数是-XX:+UseParallelGC。
3. 垃圾优先（G1）GC——G1GC专为具有大堆尺寸（超过4GB）的多线程应用程序而设计。它将堆划分为一组大小相等的区域，并使用多个线程扫描它们。G1GC识别垃圾最多的区域，并首先在该区域执行垃圾收集。使用G1垃圾收集器的JVM参数是-XX:+UseG1GC

Java本机接口（JNI）-

有时，有必要使用本机（非Java）代码（例如C/C++）。这可以在我们需要与硬件交互或克服Java中的内存管理和性能约束的情况下。Java支持通过Java本机接口（JNI）执行本机代码。

JNI充当桥梁，允许C、C++等其他编程语言的支持包。在您需要编写Java不完全支持的代码的情况下，这特别有帮助，例如一些只能用C编写的平台特定功能。

您可以使用本native键字来指示方法实现将由本机库提供。您还需要调用System.loadLibrary()将共享的本机库加载到内存中，并将其功能提供给Java。

原生方法库-

原生方法库是用其他编程语言编写的库，如C、C++和汇编。这些库通常以.dll或.so文件的形式存在。这些本机库可以通过JNI加载。

常见的JVM错误

• ClassNotFoundExcecption — 当类加载程序尝试使用Class.forName()、ClassLoader.loadClass()或ClassLoader.findSystemClass()加载类，但没有找到具有指定名称的类的定义时，就会发生这种情况。
• NoClassDefFoundError — 当编译器成功编译了类，但Class Loader无法在运行时找到类文件时，就会发生这种情况。
• OutOfMemoryError — 当JVM因内存不足而无法分配对象，并且垃圾收集器无法提供更多内存时，就会发生这种情况。
• StackOverflowError — 如果JVM在处理线程时创建新堆栈帧时空间不足，就会发生这种情况。

结论

在此过程中，我们讨论了Java虚拟机的架构及其各种组件。当我们的代码工作时，它是如何工作的。

只有当出现问题时，我们需要拉动JVM或修复内存泄漏时，我们才会尝试了解其内部机制。

原文作者：Faizan Shaikh