JVM 整體架構

1. 前言

本節內容主要是介紹 JVM 的整體架構，對 JVM 有一個宏觀的認識，是本套課程的基礎知識部分，雖然為基礎知識，但是對整體架構的理解，是學習 JVM 課程的前提，所以要重視本節的內容學習。本節主要知識點如下：

• 認識 JVM 整體結構，對 JVM 的各個模塊作用有一個初步的了解，為本節基礎內容；
• 對「類加載子系統模塊」，進行更加細粒度的模塊劃分介紹，重點從概念層面掌握類加載的步驟，為本節重點內容之一；
• 對「運行時數據區」進行更加細粒度的模塊劃分介紹，重點先從概念層面，了解運行時數據區的五大模塊定義及作用，為本節重點內容之一；
• 對「執行引擎」進行更加細粒度的模塊劃分介紹，重點先從概念層面，了解執行引擎的三大模塊定義及作用，其中包括垃圾回收器的初步介紹，為本節重點內容之一；
• 了解 JVM 的生命周期，可視作本節課程的次重點內容。

本節內容是我們初次了解 JVM 整體架構，以及各模塊的定義及作用，從概念的角度去了解 JVM 的各個模塊，為我們后續對各模塊的深入學習打下了良好的基礎。

2. JVM 整體架構

我們首先來看看，JVM 的整體結構圖，然后對每一個結構模塊進行簡單的介紹。

從結構中可以看出，JVM 結構主要分為以上幾個模塊，其中部分重點模塊內部還會細分責任更加明細的模塊，此處先來簡單了解下每個模塊的作用。

• Class 文件：主要指編譯成字節碼的 Java 文件，Class 文件才是 JVM 可以識別的文件，所以 Java 文件需要先進行編譯才可進入 JVM 執行；
• 類加載子系統：類的加載，主要負責從文件系統，或者網絡中加載 Class 信息，并與運行時數據區進行交互；
• 運行時數據區：主要包括五個小模塊，Java 堆， Java 棧，本地方法棧，方法區，寄存器。后文對細節模塊會有概念的介紹；
• 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。垃圾回收器就是執行引擎的一部分；
• 本地方法接口：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：它是執行引擎所需的本機庫的集合。

通過上文對JVM 整體結構的介紹，我們對JVM有了一定的認識。但是對于上圖所示的JVM 整體架構圖，還是感覺很抽象，感覺并不直觀。那么我們再繼續看下圖，通過 6 個步驟，來簡單的描述下，一個 Java 文件在 JVM 中的流轉過程。

我們對上圖中的 6 個步驟，逐一進行介紹：

• 步驟 1 ： 我們的 Demo.java 文件，通過 JDK 的 javac 命令，成功的被編譯成為額 Demo.class 文件；
• 步驟 2 ：JVM 有自己的類加載器，將編譯好的 Demo.class文件進行了加載；
• 步驟 3 ：類加載器將加載的 Demo.class文件投放到了運行時數據區，供程序執行使用；
• 步驟 4 ：運行時數據區將字節碼文件，交給執行引擎執行；
• 步驟 5 ：執行引擎執行完畢，會對運行時數據區的數據進行操作，比如說垃圾回收機制是執行引擎的一部分，垃圾回收機制，針對的是運行時數據區的堆空間，后續我們會詳細講解；
• 步驟 R ：我們發現圖中有很多步驟 R ，此處 R 代表 Random，即隨機發生的步驟。其實就是我們在執行過程中的一個本地方法的調用，只要我們的程序在運行過程中需要調用本地方法，那么步驟R就會發生。

Tips：此處僅僅是一個簡要的介紹，后文會對重點部分進行更加細粒度的模塊介紹。此處需要同學記住整體 JVM 結構框架，方便后續知識的學習。

3. 類加載子系統

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、鏈接和初始化。如下圖所示，展現了類加載子系統的處理過程。

我們來介紹下上圖中類加載子系統的三個步驟：

加載：通過三種不同的類加載器對 Class 文件進行加載，后續章節會對三種類加載器單獨進行講解。我們也可以自定義類加載器，通過復寫 classLoader 方法可以實現自定義的類加載器。

鏈接：鏈接階段會對加載好的 Class 文件進行字節碼、靜態變量、方法引用等進行驗證和解析，為初始化做準備。

初始化：類加載的最后階段，對類進行初始化。

Tips：類加載子系統是非常復雜的，其實加載（Loading）和鏈接（Linking）部分還能夠進行更加細致的過程劃分。鑒于我們剛剛接觸 JVM，此處點到即止。不過不用擔心，后續的章節會對加載（Loading）和鏈接（Linking）這兩個部分進行更加細粒度的劃分以及更加細致的講解，我們循序漸進，步步為營。

4. 運行時數據區

如下圖運行時數據區共包含如下 5 個模塊，方法區，Java 棧，本地方法棧，堆和程序計數器。

Tips：方法區和堆為共享內存區域，多線程環境下共享這兩塊內存區域。 Java 棧，本地方法棧和程序計數器為線程私有部分，私有數據對其他線程不可見。

我們下邊來介紹下運行時數據區的五個模塊：

• 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；

• 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；

• 棧區（Stack Area）：對于每個線程，將創建單獨的運行時棧。對于每個方法調用，將在棧存儲器中產生一個條目，稱為棧幀。所有局部變量將在棧內存中創建。棧區域是線程安全的，因為它不共享資源；

• PC寄存器（PC Registers）：也稱作程序計數器。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；

• 本地方法棧（Native Method stacks）：本地方法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棧。

5. 執行引擎

如下圖執行引擎共包含如下三個模塊，解釋器，JIT 編譯器和垃圾回收器。

Tips：垃圾回收器是本模塊的重中之重，也是 JVM 的重中之重。后續會有專門的小節內容對垃圾回收器進行細致的講解。

我們下邊來介紹下執行引擎的三個模塊：

• 解釋器：解釋器是作用于字節碼的解釋。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；

• 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，這提高了系統的性能；

• 垃圾回收器（Garbage Collector）：收集和刪除未引用的對象?？梢酝ㄟ^調用 System.gc() 觸發垃圾收集。

6. 小結

本節主要是對 JVM 的整體框架進行介紹，了解整體架構是學習 JVM 的基本前提。后續我們會對每一個模塊進行展開講解，所有的知識點都是圍繞 JVM 的架構展開的，本節內容非常重要，一定要認真的學習。