Java Virtual Machine 简明教程
JVM (Java Virtual Machine) Architecture
What is JVM (Java Virtual Machine)?
JVM (Java Virtual Machine) 是一个虚拟机，一个有自己的 ISA、内存、栈、堆等的抽象计算机。它在主机操作系统上运行，并在其上提出对资源的需求。
JVM (Java Virtual Machine) 是规范并且可以有不同的实现，只要它们符合规范。规范可以在以下链接中找到 − https://docs.oracle.com
Oracle 有自己的 JVM 实现（称为 HotSpot JVM），IBM 也有自己的实现（例如 J9 JVM）。
规范中定义的操作如下（来源 − Oracle JVM 规范）
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The 'class' file format
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Data types
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Primitive types and values
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Reference types and values
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Run-time data areas
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Frames
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Representation of objects
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Floating-point arithmetic
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Special methods
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Exceptions
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Instruction set summary
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Class libraries
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Public design, private implementation
JVM (Java Virtual Machine) Architecture
HotSpot JVM 3 的架构如下 −
执行引擎包括垃圾收集器和 JIT compiler。JVM 有两种版本 - client 和 server。它们都共享相同的运行时代码，但是使用的 JIT 不同。稍后我们将详细了解这点。用户可以通过指定 JVM 标志 -client 或 -server 来控制使用什么版本。服务器 JVM 旨在用于服务器上的长时间运行的 Java 应用程序。
JVM 有 32 位和 64 位版本。用户可以通过在 VM 参数中使用 -d32 或 -d64 指定要使用的版本。32 位版本只能寻址最多 4G 的内存。随着关键应用程序在内存中维护大型数据集，64 位版本满足了这一需求。
Components of JVM (Java Virtual Machine) Architecture
以下是 JVM（Java 虚拟机）架构的主要组件：
1. Class Loader
JVM 以动态方式管理加载、链接和初始化类和接口。在加载过程中，JVM finds the binary representation of a class and creates it.
在链接过程中，loaded classes are combined into the run-time state of the JVM so that they can be executed during the initialization phase。JVM 主要使用存储在运行时常量池中的符号表进行链接过程。初始化实际上包括 executing the linked classes。
以下是类加载器的类型：
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BootStrap class loader ：该类加载器位于类加载器层次结构的顶部。它加载 JRE lib 目录中的标准 JDK 类。
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Extension class loader ：该类加载器位于类加载器层次结构的中间，是引导类加载器的直接子类，并加载 JRE lib\ext 目录中的类。
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Application class loader ：该类加载器位于类加载器层次结构的底部，是应用程序类加载器的直接子类。它加载 CLASSPATH ENV 变量指定的 jar 和类。
2. Linking and Initialization
链接过程包括以下三个步骤：
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Verification − 由字节码验证器完成，以确保生成的 .class 文件（字节码）有效。如果不是，则会抛出一个错误，并且链接进程会停止。
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Preparation − 为类的所有静态变量分配内存，并使用默认值对其进行初始化。
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Resolution − 将所有符号内存引用替换为原始引用。要实现此目的，将使用类方法区运行时常量存储器中的符号表。
Initialization 是类加载过程的最后阶段。静态变量被分配原始值，并且执行静态块。
3. Runtime Data Areas
JVM 规范定义了程序执行期间所需的某些运行时数据区域。其中一些在 JVM 启动时创建。其他一些是线程局部的，并且仅在创建线程时创建（并在线程被销毁时销毁）。这些如下所示：
它是每个线程的局部变量，并且包含线程当前正在执行的 JVM 指令的地址。
它是每个线程的局部变量，并且在方法调用期间存储参数、局部变量和返回地址。如果线程需要的堆栈空间超过允许的最大值，可能会发生 StackOverflow 错误。如果堆栈可以动态扩展，它仍然可以引发 OutOfMemoryError。
它是所有线程共享的，并且包含运行时创建的对象、类元数据、数组等。它在 JVM 启动时创建，并在 JVM 关闭时销毁。你可以使用某些标志控制你的 JVM 从操作系统请求的堆大小（稍后会详细介绍）。必须小心不要请求过少或过多的内存，因为这会产生重要的性能影响。此外，GC 管理此空间，并会不断删除死对象以释放空间。
此运行时区域对所有线程都是通用的，并且在 JVM 启动时创建。它存储每类结构，例如常量池（稍后会详细介绍）、构造函数和方法的代码、方法数据等。JLS 未指定是否需要对该区域进行垃圾回收，因此 JVM 的实现可能会选择忽略 GC。此外，这可能会或可能不会根据应用程序的需求进行扩展。JLS 没有强制规定任何相关内容。
JVM 维护一个每类/每类型数据结构，它在链接已加载的类时充当符号表（它扮演的众多角色之一）。
当一个线程调用一个本地方法时，它就会进入一个新世界，其中 Java 虚拟机的结构和安全限制不再妨碍它的自由。本地方法可能会访问虚拟机的运行时数据区域（它取决于本地方法接口），但也可能执行它想要做的任何其他操作。
4. Execution Engine
执行引擎负责执行字节码，它有三个不同的组件：
JVM 管理 Java 中对象的整个生命周期。一旦创建了一个对象，开发人员就不需要再担心它了。如果对象变成死对象（即不再引用它），它将通过串行 GC、CMS、G1 等多种算法之一从堆中弹出。
Read also: Garbage Collection in Java
在 GC 过程中，对象在内存中移动。因此，在该进程进行时，不能使用那些对象。整个应用程序必须在整个进程持续时间内停止。这种暂停被称为“停止世界”暂停，并且开销很大。GC 算法的首要目标是减少此时间。
解释器解释字节码。它能快速解释代码，但执行速度较慢。
JIT 表示 Just-In-Time。JIT 编译器是 Java 运行时环境的主要部分，它在运行时编译字节码为机器码。