每個Java開發人員都知道字節碼將由JRE (Java運行時環境)運行。但是許多人不知道JRE是Java虛擬機(JVM)的實現，它分析字節碼、解釋並執行代碼。作為開發人員，清楚瞭解JVM的體系結構非常重要，因為它能讓我們更有效地編寫代碼。在本文中，我們將更深入地瞭解Java中的JVM架構以及JVM中的各種組件。

什麼是JVM？

虛擬機是物理機器的軟件實現。Java是用WORA(Write Once Run Anywhere)的概念開發的，它在虛擬機上運行。編譯器將Java文件編譯成Java .class文件，然後將那個.class文件輸入到JVM中，JVM會加載並執行類文件。

下面是JVM的架構圖。

JVM 架構圖

JVM 是如何工作的?

正如上面的架構圖所示，JVM被劃分為三個主要的子系統：

1. 類裝載子系統（Class Loader Subsystem）
2. 運行時數據區（Runtime Data Area）
3. 執行引擎（Execution Engine）

1. 類裝載子系統

Java的動態類裝載功能由類裝載子系統來實現。它可以裝載，鏈接，還有當它在運行時（而不是編譯時）第一次引用類時，進行初始化類文件。

1.1 裝載

這個組件功能是加載類。總共有三種類裝載器：Boot Strap class Loader, Extension class Loader, 和 Application class Loader。

1. Boot Strap ClassLoader – 負責從 bootstrap classpath加載類，在基礎類庫rt.jar中，具有最高的優先級類裝載器。
2. Extension ClassLoader – 負責加載ext文件夾(jre\lib)中的類。
3. Application ClassLoader –負責加載應用程序級類Class Path、Path和環境變量等。

上面的類加載器在加載類文件時，將遵循 Delegation Hierarchy Algorithm 算法。

1.2 鏈接Linking

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，我們將得到驗證錯誤。
2. 準備Prepare – 對於所有靜態變量，內存將被分配並分配默認值。
3. 解析Resolve – 所有符號內存引用都替換為來自方法區域的原始引用。

1.3 初始化Initialization

這是類裝載的最後一個階段，在這裡所有靜態變量都將被賦與原始值，靜態代碼塊將被執行。

2. Runtime Data Area

運行時數據區域分為5個主要部分:

1. 方法區域（Method Area） –所有的類級別數據都將存儲在這裡，包括靜態變量。每個JVM只有一個共享的方法區域。
2. 堆區域 （Heap Area） –所有對象及其對應的實例變量和數組都將存儲在這裡。每個JVM也只有一個堆區域。由於方法和堆區域為多個線程共享內存，所以堆區存儲的數據並不是線程安全的。
3. 棧區域（Stack Area） – 對於每個線程，將創建一個單獨的運行時棧。對於每個方法調用，將在堆棧內存中創建一個條目，稱為堆棧幀（Stack Frame）。所有本地變量都將在棧內存中創建。棧區域是線程安全的，因為它不是共享資源。

堆棧框架分為三個子實體：

• 局部變量數組（Local Variable Array）
  – 與方法相關的局部變量以及相應的值將存儲在這裡。
• 操作數堆棧（Operand stack） –如果需要執行任何中間操作，操作數堆棧作為運行時工作區來執行操作。
• Frame data – 與方法對應的所有符號都存儲在這裡。異常處理中，Catch塊信息將在框架數據中維護。

4、PC Registers – 每一個線程都有單獨的PC寄存器，在執行指令後，保存當前執行指令的地址，PC寄存器將隨下一個指令進行更新。

5、本地方法棧（Native Method stacks ）–本地方法棧保存本地方法的信息。為每一個線程,將創建一個單獨的本地方法棧。

3. 執行引擎

分配給運行時數據區域的字節碼將由執行引擎執行。執行引擎讀取字節碼並逐個執行它。

1. Interpreter – 解釋器解釋字節碼很快，但執行緩慢。解釋器的缺點是，當一個方法被多次調用時，每次都需要新的解釋。
2. JIT Compiler – JIT編譯器消除了解釋器的缺點。執行引擎將使用解釋器的幫助來轉換字節代碼，但是當它發現重複的代碼時，它使用JIT編譯器，它編譯整個字節碼並將其更改為本機代碼。這種本機代碼將直接用於重複的方法調用，從而提高系統的性能。
3. Intermediate Code generator – 生成中間代碼
4. Code Optimizer – 負責優化上面生成的中間代碼
5. Target Code Generator – 負責生成機器代碼或本機代碼
6. Profiler – 一種特殊的組件，負責查找hotspots，即該方法是否被多次調用。
7. 垃圾回收：收集和刪除未引用的對象。可以通過調用“System.gc()”來觸發垃圾收集，但不會立即執行（執行時機由GC決定）。JVM的垃圾回收收集已創建的對象。

Java Native Interface (JNI)：

Native Method Libraries：它是執行引擎所需的本地庫的集合。

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