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类加载子系统负责将.class文件加载到内存中并进行验证、准备、解析和初始化。运行时数据区包括堆Heap、方法区Method Area、Java栈Java Stack、本地方法栈Native Method Stack和程序计数器Program Counter Register。执行引擎包括解释器Interpreter、即时编译器JIT Compiler和垃圾收集器Garbage Collector。本地接口JNIJava Native Interface和本地库接口。 上图展示了JVM的基本结构各组件的布局和相对位置如下
Class Loader Subsystem类加载子系统负责将字节码文件加载到内存中。Execution Engine执行引擎包括解释器、即时编译器和垃圾收集器负责执行字节码。Heap堆用于存储对象实例和数组由垃圾收集器管理。Method Area方法区存储已加载的类信息、常量池、静态变量和JIT编译后的代码。Java StackJava栈每个线程都有自己的Java栈用于存储局部变量、操作数栈、帧数据等。Native Method Stack本地方法栈用于本地方法的执行。Program Counter Register程序计数器记录当前线程所执行的字节码的地址。JNI本地接口Java Native Interface用于Java与本地代码的交互。
执行引擎
解释器和即时编译器JIT Compiler是JVM中执行引擎的重要组成部分它们的主要职能如下
解释器Interpreter
解释器的主要职能是逐行解释字节码并执行。具体来说 逐行解释执行解释器将Java字节码逐行解释为机器指令并执行。这种方式的优点是启动快能够快速响应并执行代码尤其是对小型或简单程序而言。 执行慢由于解释器需要逐行解释字节码每次执行都要进行解释因而执行速度较慢。对于频繁执行的代码段这种开销会变得很明显。 主要用途解释器在程序启动阶段发挥重要作用使程序能迅速启动并开始执行。在此过程中它还可以收集程序的运行数据帮助JIT编译器进行优化。
即时编译器JIT Compiler
JIT编译器的主要职能是将热点代码经常执行的代码编译成本地机器码从而提高执行效率。具体来说 热点代码编译JIT编译器通过监控程序的运行识别出频繁执行的代码段热点代码并将这些代码编译成机器码以便直接在CPU上执行。这样可以显著提高执行速度。 优化代码JIT编译器在编译过程中可以进行多种优化如方法内联将频繁调用的小方法直接嵌入到调用点、逃逸分析确定对象是否可以分配在栈上而不是堆上、循环展开和消除冗余代码等。通过这些优化编译后的机器码性能更高。 混合模式执行JVM采用解释器和JIT编译器相结合的混合模式。程序启动时解释器迅速执行代码并收集运行数据。随着程序的执行JIT编译器逐步将热点代码编译为高效的机器码以提高整体执行性能。 编译时间和性能权衡虽然JIT编译会引入一定的编译时间开销但这个开销通常被编译后执行的性能提升所弥补。JIT编译器在运行时做出的优化决策使得程序能在不同的运行环境中表现出更好的性能。
本地方法栈Native Method Stack是JVM中的一个运行时数据区用于支持本地方法的执行。本地方法通常是使用本地编程语言如C、C编写的用来实现Java中无法直接实现的底层操作或者与操作系统交互。具体来说本地方法栈存放以下内容
本地方法栈
本地方法栈存储与本地方法调用相关的信息包括方法的参数、局部变量和返回值等。它类似于Java栈但专门用于本地方法的执行。
1. 本地方法接口JNI的数据
JNIJava Native Interface是Java与本地语言交互的接口。本地方法栈包含JNI所需的数据结构用于管理和执行本地方法调用。这些数据结构包括
JNI环境指针用于访问JNI环境和调用JNI函数。JNI局部引用本地方法中创建的Java对象引用它们的生命周期在方法执行期间。
3. 操作系统调用栈
当本地方法调用涉及操作系统层面的功能时本地方法栈也会存储相应的调用栈信息。例如调用系统API、进行文件I/O操作或网络操作时操作系统的调用栈信息也会被存放在本地方法栈中。
4. 原生库的信息
本地方法栈可能包含加载的原生库的相关信息。通过JNI加载的本地库如.dll或.so文件的加载地址和加载状态信息都可能存放在本地方法栈中。
示例
以下是一个简单的示例展示了Java代码如何调用本地方法
public class NativeExample {// 声明本地方法public native void printHello();static {// 加载本地库System.loadLibrary(NativeExample);}public static void main(String[] args) {new NativeExample().printHello();}
}对应的C代码实现如下
#include jni.h
#include stdio.h
#include NativeExample.hJNIEXPORT void JNICALL Java_NativeExample_printHello(JNIEnv *env, jobject obj) {printf(Hello from native code!\n);
}在上述示例中printHello方法的调用涉及以下步骤
Java代码通过JNI调用本地方法。JVM将调用信息参数、局部变量等推入本地方法栈。本地方法栈中的JNI环境指针和局部引用用于管理和执行本地方法。本地方法执行并可能调用操作系统API操作系统调用栈信息也存储在本地方法栈中。
类加载器
在Java高级开发中深入理解类加载器ClassLoader是非常重要的。类加载器负责将类文件加载到JVM中并按照特定的机制进行管理。以下是对启动类加载器、扩展类加载器和应用类加载器的详细介绍。
1. 启动类加载器Bootstrap ClassLoader
作用负责加载Java核心类库中的类如java.lang.*、java.util.*等。实现启动类加载器是由本地代码实现的通常是C/C并且它是JVM的一部分。类路径从JAVA_HOME/lib目录加载类如rt.jar、charsets.jar等。特点 启动类加载器是没有父类加载器的根类加载器。它不是由Java语言实现的因此在Java程序中无法直接获取启动类加载器的引用。加载系统级的、与平台相关的Java类。
2. 扩展类加载器Extension ClassLoader
作用负责加载Java扩展库中的类。实现扩展类加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类实现。类路径从JAVA_HOME/lib/ext目录加载类或者从由系统属性java.ext.dirs指定的目录加载类。特点 扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。它加载的是位于扩展目录中的库这些库通常提供额外的功能或服务。
3. 应用类加载器Application ClassLoader
作用负责加载应用程序类路径classpath下的类。实现应用类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader类实现。类路径从系统属性java.class.path指定的目录或JAR文件中加载类即通常的CLASSPATH环境变量。特点 应用类加载器的父类加载器是扩展类加载器。它加载应用程序自定义的类和库是开发者最常接触到的类加载器。可以通过ClassLoader.getSystemClassLoader()方法获取应用类加载器的实例。
双亲委派模型
Java的类加载机制采用了双亲委派模型。此模型的核心思想是类加载器在加载一个类时首先将请求委派给父类加载器只有当父类加载器无法完成加载任务时才尝试自己加载。
双亲委派模型的工作流程如下
当一个类加载器收到类加载请求时它不会自己先去加载而是将该请求委派给父类加载器。父类加载器接着将该请求委派给它的父类加载器依此递归下去直到请求被委派到启动类加载器。启动类加载器尝试加载如果成功则返回加载结果如果失败如类不存在则将控制权交回给子类加载器。子类加载器接到失败通知后自己尝试加载该类。
优点
避免重复加载确保Java核心类库不会被重复加载确保全局唯一。安全性防止核心类库被自定义类覆盖。
自定义类加载器
有时我们需要自定义类加载器以满足特定需求如加载网络上的类、从数据库加载类等。自定义类加载器可以通过继承ClassLoader类实现并重写findClass方法。例如
public class CustomClassLoader extends ClassLoader {Overrideprotected Class? findClass(String name) throws ClassNotFoundException {byte[] classData loadClassData(name); // 读取类文件的字节码if (classData null) {throw new ClassNotFoundException();}return defineClass(name, classData, 0, classData.length);}private byte[] loadClassData(String name) {// 自定义类加载逻辑例如从网络或数据库加载类字节码return null;}
}
