每一個Java開發人員都知道字節碼是由JRE（Java Runtime Environment）執行的。但是很少有人知道JRE是Java虛擬機（JVM）的實現，它分析字節碼，解釋代碼並執行。瞭解JVM的體系結構，對於作為一名開發人員來說是非常重要的。因為它使我們能夠更加高效地編寫代碼。在本文中，我們將更加深入瞭解Java中的JVM體系結構以及JVM的各種不同組件。

什麼是JVM

虛擬機是物理機器的軟件實現。Java的開發遵循WORA（一次編寫隨處運行）理念，它運行在VM（虛擬機）上。編譯器將Java文件編譯成Java.class文件，之後，將.class文件輸入到JVM中，加載並執行該類文件。下圖是JVM的體系結構：

JVM體系結構圖

JVMi體系結構講解

JVM是如何工作的？

如上面的體系結構圖所示，JVM分為三個主要的子系統：

1. 類加載器子系統

2. 運行時數據區

3. 執行引擎

1、類加載器子系統

Java的動態類加載功能是由類加載器子系統處理的。它負責加載、鏈接，並且在運行時首次引用類的時候初始化類，而不是在編譯期間。

1.1、加載

這個組件負責加載類。BootStrap類加載器、Extension類加載器和Application類加載器是實現這個功能的三大類加載器。

1. BootStrap類加載器—— 負責從classpath加載類，如果沒有類存在，將只加載rt.jar。這個加載器的優先級最高。

2. Extension類加載器 —— 負責加載擴展文件夾（jre\lib）中的類。

3. Application類加載器 —— 負責加載應用級classpath和環境變量指向的路徑下的類。

上述類加載器在加載類文件時遵循委託層次結構算法。

1.2、鏈接

1. 校驗 —— 字節碼驗證器將校驗生成的字節碼是否正確，如果校驗失敗，我們將獲得校驗錯誤信息。

2. 準備 —— 對於所有的靜態變量，內存將被申請並分配默認值。

3. 解析 —— 所有標記的內存引用從方法區域被替換成的原始引用。

1.3、初始化

這是類加載的最後階段，所有的靜態變量都將被分配原值，靜態代碼塊將被執行。

2、運行時數據區

運行時數據區被劃分為五個主要部分：

1. 方法區 —— 所有類級數據都將存儲在這裡，包括靜態變量。每一個JVM只有一個方法區，並且它是一個共享資源。

2. 堆區 —— 所有對象及其對應的實例變量和數組等存儲在此，每個JVM同樣只有一個堆區。由於方法區和堆區是多線程內存共享，因此存儲的數據是非線程安全的。

3. 棧區 —— 每個線程都會創建一個單獨的運行時棧。在每一次方法調用，都會在棧內存中創建一個棧幀（Stack Frame）。所有局部變量將在棧內存中創建。棧區是線程安全的，因為它不是一個共享資源。棧幀可以被劃分為三個實體：

1. 局部變量數組 —— 與方法中有多少局部變量有關，相應的值將存儲在此處。

2. 操作數棧 —— 如果任何的中間操作需要被執行，操作數棧將作為運行時工作區來執行操作。

3. 幀數據 —— 與方法相對應的所有符號存儲在此。在任何異常情況下，catch塊的信息被保留在幀數據中。

4. PC寄存器 —— 每一個線程都有單獨的PC寄存器，一旦執行指令，PC寄存器將被下一條指令更新，保存當前執行指令的地址。

5. 本地方法棧 —— 本地方法棧保存本地方法信息，每一個線程都會創建一個單獨的本地方棧。

3、執行引擎

分配到運行時數據區的字節碼將被執行引擎執行。執行引擎讀取字節碼並逐一執行。

1. 解釋器 —— 解釋器能更加快速地解釋字節碼，但是執行緩慢。解釋器的缺點是當多次調用一個方法時，每次都要重新解釋。

2. JIT編譯器 —— JIT編譯器彌補瞭解釋器的不足。執行引擎使用解釋器來轉換字節碼，當它發現重複的代碼時，它將使用JIT編譯器來編譯整個字節碼並轉換為本地代碼。本地代碼將直接被重複的方法所調用，從而提高系統性能。

3. 中間代碼生成器 —— 生成中間代碼。

4. 代碼優化器 —— 負責優化上述生成的中間代碼。

5. 目標代碼生成器 —— 負責生成機器碼或者本地代碼。

6. 分析器 —— 一個特殊的組件，負責查找熱點代碼，比如一個方法是否被調用多次。

7. 垃圾回收器 —— 回收並刪除未引用的對象。可以通過調用System.gc()來觸發垃圾回收，但不能保證它執行。JVM的垃圾回收是回收被創建的對象。

Java本地接口（JNI）：JNI與本地方法庫交互，併為執行引擎提供本地方法庫。

本地方法庫（Native Method Libraries）：它是執行引擎所需的本地庫集合。

英文原文：https://dzone.com/articles/jvm-architecture-explained