JVM 整体架构

1. 前言

本节内容主要是介绍 JVM 的整体架构，对 JVM 有一个宏观的认识，是本套课程的基础知识部分，虽然为基础知识，但是对整体架构的理解，是学习 JVM 课程的前提，所以要重视本节的内容学习。本节主要知识点如下：

认识 JVM 整体结构，对 JVM 的各个模块作用有一个初步的了解，为本节基础内容；
对「类加载子系统模块」，进行更加细粒度的模块划分介绍，重点从概念层面掌握类加载的步骤，为本节重点内容之一；
对「运行时数据区」进行更加细粒度的模块划分介绍，重点先从概念层面，了解运行时数据区的五大模块定义及作用，为本节重点内容之一；
对「执行引擎」进行更加细粒度的模块划分介绍，重点先从概念层面，了解执行引擎的三大模块定义及作用，其中包括垃圾回收器的初步介绍，为本节重点内容之一；
了解 JVM 的生命周期，可视作本节课程的次重点内容。

本节内容是我们初次了解 JVM 整体架构，以及各模块的定义及作用，从概念的角度去了解 JVM 的各个模块，为我们后续对各模块的深入学习打下了良好的基础。

2. JVM 整体架构

我们首先来看看，JVM 的整体结构图，然后对每一个结构模块进行简单的介绍。

图片描述

从结构中可以看出，JVM 结构主要分为以上几个模块，其中部分重点模块内部还会细分责任更加明细的模块，此处先来简单了解下每个模块的作用。

Class 文件：主要指编译成字节码的 Java 文件，Class 文件才是 JVM 可以识别的文件，所以 Java 文件需要先进行编译才可进入 JVM 执行；
类加载子系统：类的加载，主要负责从文件系统，或者网络中加载 Class 信息，并与运行时数据区进行交互；
运行时数据区：主要包括五个小模块，Java 堆， Java 栈，本地方法栈，方法区，寄存器。后文对细节模块会有概念的介绍；
执行引擎：分配给运行时数据区的字节码将由执行引擎执行，执行引擎读取字节码并逐个执行。垃圾回收器就是执行引擎的一部分；
本地方法接口：本机方法库进行交互，并提供执行引擎所需的本机库；
本地方法库：它是执行引擎所需的本机库的集合。

通过上文对JVM 整体结构的介绍，我们对JVM有了一定的认识。但是对于上图所示的JVM 整体架构图，还是感觉很抽象，感觉并不直观。那么我们再继续看下图，通过 6 个步骤，来简单的描述下，一个 Java 文件在 JVM 中的流转过程。

图片描述

我们对上图中的 6 个步骤，逐一进行介绍：

步骤 1 ：我们的 Demo.java 文件，通过 JDK 的 javac 命令，成功的被编译成为额 Demo.class 文件；
步骤 2 ：JVM 有自己的类加载器，将编译好的 Demo.class文件进行了加载；
步骤 3 ：类加载器将加载的 Demo.class文件投放到了运行时数据区，供程序执行使用；
步骤 4 ：运行时数据区将字节码文件，交给执行引擎执行；
步骤 5 ：执行引擎执行完毕，会对运行时数据区的数据进行操作，比如说垃圾回收机制是执行引擎的一部分，垃圾回收机制，针对的是运行时数据区的堆空间，后续我们会详细讲解；
步骤 R ：我们发现图中有很多步骤 R ，此处 R 代表 Random，即随机发生的步骤。其实就是我们在执行过程中的一个本地方法的调用，只要我们的程序在运行过程中需要调用本地方法，那么步骤R就会发生。

Tips：此处仅仅是一个简要的介绍，后文会对重点部分进行更加细粒度的模块介绍。此处需要同学记住整体 JVM 结构框架，方便后续知识的学习。

3. 类加载子系统

Java 的动态类加载功能由类加载器子系统处理，处理过程包括加载、链接和初始化。如下图所示，展现了类加载子系统的处理过程。

图片描述

我们来介绍下上图中类加载子系统的三个步骤：

加载：通过三种不同的类加载器对 Class 文件进行加载，后续章节会对三种类加载器单独进行讲解。我们也可以自定义类加载器，通过复写 classLoader 方法可以实现自定义的类加载器。

链接：链接阶段会对加载好的 Class 文件进行字节码、静态变量、方法引用等进行验证和解析，为初始化做准备。

初始化：类加载的最后阶段，对类进行初始化。

Tips：类加载子系统是非常复杂的，其实加载（Loading）和链接（Linking）部分还能够进行更加细致的过程划分。鉴于我们刚刚接触 JVM，此处点到即止。不过不用担心，后续的章节会对加载（Loading）和链接（Linking）这两个部分进行更加细粒度的划分以及更加细致的讲解，我们循序渐进，步步为营。

4. 运行时数据区

如下图运行时数据区共包含如下 5 个模块，方法区，Java 栈，本地方法栈，堆和程序计数器。

图片描述

Tips：方法区和堆为共享内存区域，多线程环境下共享这两块内存区域。 Java 栈，本地方法栈和程序计数器为线程私有部分，私有数据对其他线程不可见。

我们下边来介绍下运行时数据区的五个模块：

方法区（Method Area）：所有的类级数据将存储在这里，包括静态变量。每个 JVM 只有一个方法区，它是一个共享资源；
堆区域（Heap Area）：所有对象及其对应的实例变量和数组将存储在这里。每个 JVM 也只有一个堆区域。由于方法和堆区域共享多个线程的内存，所存储的数据不是线程安全的；
栈区（Stack Area）：对于每个线程，将创建单独的运行时栈。对于每个方法调用，将在栈存储器中产生一个条目，称为栈帧。所有局部变量将在栈内存中创建。栈区域是线程安全的，因为它不共享资源；
PC寄存器（PC Registers）：也称作程序计数器。每个线程都有单独的 PC 寄存器，用于保存当前执行指令的地址。一旦执行指令，PC 寄存器将被下一条指令更新；
本地方法栈（Native Method stacks）：本地方法栈保存本地方法信息。对于每个线程，将创建一个单独的本地方法栈。

5. 执行引擎

如下图执行引擎共包含如下三个模块，解释器，JIT 编译器和垃圾回收器。

图片描述

Tips：垃圾回收器是本模块的重中之重，也是 JVM 的重中之重。后续会有专门的小节内容对垃圾回收器进行细致的讲解。

我们下边来介绍下执行引擎的三个模块：

解释器：解释器是作用于字节码的解释。解释器的缺点是当一个方法被调用多次时，每次都需要一个新的解释；
JIT 编译器：JIT 编译器消除了解释器的缺点。执行引擎将在转换字节码时使用解释器的帮助，但是当它发现重复的代码时，将使用 JIT 编译器，这提高了系统的性能；
垃圾回收器（Garbage Collector）：收集和删除未引用的对象。可以通过调用 System.gc() 触发垃圾收集。

6. 小结

本节主要是对 JVM 的整体框架进行介绍，了解整体架构是学习 JVM 的基本前提。后续我们会对每一个模块进行展开讲解，所有的知识点都是围绕 JVM 的架构展开的，本节内容非常重要，一定要认真的学习。