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JVM 的不同组成部分分别有什么作用？

news 来源：原创 2025/5/21 17:11:57

JVM（Java Virtual Machine）主要由以下几个核心组成部分构成：

1. 类加载器子系统 (Class Loader Subsystem):

作用：
- 加载类： 负责查找并加载 Java 类文件（.class 文件）到 JVM 中。类文件可以来自本地文件系统、网络、JAR 包等。
- 链接类： 将加载的类合并到 JVM 的运行时状态中，包括验证、准备和解析（可选）三个阶段。
  - 验证 (Verification): 确保类文件的结构符合 JVM 规范，并且不会危害 JVM 的安全。
  - 准备 (Preparation): 为类的静态变量分配内存，并设置默认初始值（例如，int 类型的默认值为 0，boolean 类型的默认值为 false）。
  - 解析 (Resolution): 将类、接口、字段和方法的符号引用解析为直接引用（可选，可以延迟到运行时）。
- 初始化类： 执行类的初始化代码（静态变量赋值和静态代码块）。
类加载器类型：
- 启动类加载器 (Bootstrap Class Loader): 加载 Java 核心类库（<JAVA_HOME>/jre/lib）。
- 扩展类加载器 (Extension Class Loader): 加载 Java 扩展类库（<JAVA_HOME>/jre/lib/ext 或 java.ext.dirs 指定的目录）。
- 应用程序类加载器 (Application Class Loader): 加载应用程序的类（classpath）。
- 自定义类加载器： 开发者可以自定义类加载器，实现特殊的类加载逻辑。
双亲委派模型： 除了启动类加载器，每个类加载器都有一个父类加载器。当一个类加载器需要加载类时，它首先会委托给父类加载器去加载，只有当父类加载器无法加载时，才由自己加载。

2. 运行时数据区 (Runtime Data Areas):

作用： JVM 在运行 Java 程序时管理的内存区域，用于存储程序运行过程中需要的数据。
主要区域：
- 方法区 (Method Area):
  - 存储内容： 类信息（类名、父类、接口、字段、方法等）、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。
  - 共享性： 所有线程共享。
  - HotSpot VM 中的实现：
    - JDK 1.7 及之前：永久代 (Permanent Generation)。
    - JDK 1.8 及之后：元空间 (Metaspace)（使用本地内存）。
  - 运行时常量池 (Runtime Constant Pool): 方法区的一部分，存放编译期生成的各种字面量和符号引用。
- 堆 (Heap):
  - 存储内容： 对象实例和数组。
  - 共享性： 所有线程共享。
  - 垃圾回收： 是垃圾回收的主要区域。
  - 划分： 通常划分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
    - 新生代又可以划分为 Eden 区、Survivor from 区和 Survivor to 区。
- 虚拟机栈 (VM Stack):
  - 存储内容： 方法调用的局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
  - 共享性： 每个线程都有自己的虚拟机栈（线程私有）。
  - 栈帧 (Stack Frame): 每次方法调用都会创建一个栈帧，用于存储方法的局部变量等信息。方法执行完毕后，栈帧会被销毁。
  - 异常：
    - StackOverflowError: 线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度。
    - OutOfMemoryError: 虚拟机栈无法申请到足够的内存（如果可以动态扩展）。
- 本地方法栈 (Native Method Stack):
  - 存储内容： 与虚拟机栈类似，但用于支持 native 方法（使用 C、C++ 等编写的方法）的执行。
  - 共享性： 每个线程都有自己的本地方法栈（线程私有）。
- 程序计数器 (Program Counter Register):
  - 存储内容： 当前线程正在执行的字节码指令的地址（行号）。
  - 共享性： 每个线程都有自己的程序计数器（线程私有）。
  - 特点： 是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

3. 执行引擎 (Execution Engine):

作用： 负责执行 Java 字节码指令。
主要组件：
- 解释器 (Interpreter):
  - 逐条解释执行字节码指令。
  - 优点：启动速度快，不需要等待编译。
  - 缺点：执行速度慢，特别是对于频繁执行的代码。
- 即时编译器 (JIT Compiler):
  - 将热点代码（经常执行的代码，例如循环体、频繁调用的方法）编译为本地机器码，提高执行效率。
  - 优点：执行速度快（接近本地代码）。
  - 缺点：编译需要时间，会增加启动时间。
  - HotSpot VM 中的 JIT 编译器：
    - Client Compiler (C1): 优化速度快，但优化程度较低。适用于客户端应用或对启动速度要求较高的场景。
    - Server Compiler (C2): 优化速度慢，但优化程度较高。适用于服务端应用或对性能要求较高的场景。
    - 分层编译 (Tiered Compilation): 根据程序的运行情况，选择不同的编译器进行优化。
      - 第 0 层： 解释执行。
      - 第 1 层： 使用 C1 编译，不开启 profiling。
      - 第 2 层： 使用 C1 编译，仅开启方法和循环回边的 profiling。
      - 第 3 层： 使用 C1 编译，开启所有 profiling。
      - 第 4 层： 使用 C2 编译。
- 垃圾回收器 (Garbage Collector):
  - 负责自动回收不再使用的对象，释放内存。
  - 不同的 JVM 实现有不同的垃圾回收器。
  - 常见的垃圾回收器：
    - Serial GC
    - Parallel GC
    - CMS GC (Concurrent Mark Sweep)
    - G1 GC (Garbage-First)
    - ZGC
    - Shenandoah
- 本地方法接口 (JNI, Java Native Interface):
  - 允许 Java 代码调用本地方法 (C/C++ 等编写的方法).

总结：

JVM 组成部分	作用
类加载器子系统	加载类文件（.class 文件）到 JVM 中，包括加载、链接（验证、准备、解析）和初始化三个阶段。
运行时数据区	JVM 在运行 Java 程序时管理的内存区域，包括方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。
执行引擎	执行 Java 字节码指令，包括解释器、即时编译器、垃圾回收器。
本地方法接口(JNI)	允许Java代码与本地代码(通常是C或C++)交互