什么是 JVM（Java 虚拟机）？

Java 虚拟机（JVM）是一个软件组件，它运行开发人员编写的 Java 代码，以便 Java 应用程序正常运行。在 Java 问世之前，程序只能在特定的目标平台上运行。开发人员还必须管理程序的内存使用情况，这非常耗时。借助 JVM，Java 将“一次编写，随处运行”的概念引入了编程语言领域。Java 代码在 JVM 中运行，不依赖于底层平台。JVM、Java 运行时环境（JRE）和 Java 开发工具包（JDK）是 Java 编程所需的三个基本组件。

JVM 包含三个方面：规范、实施和实例。

详述

JVM 规范是一份概述 Java 虚拟机规则、行为和功能的文档。它作为官方参考标准，提供一个标准化的框架，同时保留开发的灵活性。只要遵循该规范，不同的团队就可以创建自己的 JVM。

实施

JVM 实施是指对该规范的软件实施。有多种由不同供应商提供的 JVM 实施。例如，OpenJDK 的 HotSpot 就是一种开源的 JVM 实施。它是许多其他 JVM 实施的基础，并被开发人员、各类组织和 Java 社区广泛使用。它是世界上经过最充分验证的代码库之一。

实例

当您在计算机上运行 Java 时，这意味着您的计算机上正在运行 JVM 的一个特定实例。当开发人员使用“JVM”这一术语时，他们指的是运行在计算机上、负责执行他们所编写 Java 代码的软件。

在 Java 中，现实世界的实体被表示为 Java 对象。对象具有属性和行为。例如，如果您正在使用 Java 构建预订系统，则可以创建一个包含姓名和地址等属性以及 create_customer 等功能的客户对象。您需要定义一个客户类，作为客户对象的蓝图或模板。

尽管类和对象是 Java 编程的基础，但它们仍然是抽象的表示形式。客户类只是一行文本。JVM 会处理 Java 程序中的文本，并将这些抽象概念转换为设备内存中的物理表示形式。例如，对于代码文本“客户对象 A”，JVM 会为对象 A 创建相应的物理内存组件。

尽管涉及的细节较为复杂，但我们将在下文简要概述这一过程。

• 开发人员编写 Java 代码。
• 开发人员编译 Java 代码。
• JRE 将代码转换为一种称为 Java 字节码的低级表示形式。
• JVM 运行字节码，并根据需要在底层平台上分配和释放内存。

JVM 架构的主要组件如下所述。每个组件都至关重要，并且支持 JVM 实例运行 Java 程序。

类加载器

类加载器负责将 Java 类文件加载到内存中。它可以定位、加载并验证程序所引用的类和接口的字节码。此外，它还可以维护类的运行时完整性，并确保它们符合 JVM 的安全和内存管理规则。

运行时数据区

JVM 将内存划分为各种运行时数据区，例如方法区、堆、栈和程序计数器（PC）寄存器。

• 方法区存储类级结构，如方法字节码、字段信息和常量池数据。
• 堆是一个运行时数据区，JVM 在此为对象动态分配内存空间。所有 Java 线程共享堆内存。
• 程序计数器（PC）寄存器存储当前正在执行的字节码指令的地址。

执行引擎

执行引擎负责运行 Java 字节码。它包含即时（JIT）编译器，该编译器能将频繁执行的字节码动态编译为原生机器码，从而提高性能。

垃圾回收器

垃圾回收器负责管理数据对象的内存分配与回收。它自动识别并释放程序不再引用的对象所占用的内存。

Java 原生接口

Java 原生接口允许 Java 程序与使用 C 或 C++ 等语言编写的原生代码及库进行交互。它使 Java 应用程序能够调用本地方法（反之亦然），从而实现 Java 与现有特定平台功能的无缝集成。

原生方法库

原生方法库包含 Java 应用程序所引用的本地方法的具体实施。这些库在 Java 代码与特定平台功能之间架起了桥梁。原生方法通常用于无法直接以 Java 形式实施的底层操作或依赖于特定系统的任务。

JVM 逐行解释字节码，在运行时将每条指令转换为机器码。这种解释执行过程虽然实现了平台无关性，但速度可能慢于原生机器码的执行。JVM 采用即时编译（JIT）技术来提升性能。JIT 编译能显著提高 Java 应用程序的性能。它允许 JVM 针对特定的运行时环境和硬件进行优化。

JIT 的工作原理

JVM 不会解释整个字节码，而是识别频繁运行的代码片段（如循环）或频繁调用的方法（被称为“热点”）。随后，JIT 编译器会有选择地将这些热点代码编译为原生机器码，供 CPU 直接执行。编译后的代码会存储在代码缓存中，以便在后续调用时重复使用。JIT 编译过程涉及多个阶段。

解释

JVM 首先解释字节码，逐行执行。这种方式实现了快速启动，并使 JVM 不受平台影响。

分析

在执行字节码的过程中，JVM 会收集有关代码行为的信息，例如方法调用的频率和所使用的对象类型。这些分析信息有助于识别“热点”。

JIT 编译

根据分析数据，JIT 编译器识别出热点，并有选择地将其编译为原生机器码。编译过程包含多种优化手段，例如内联频繁调用的方法、消除不必要的检查以及优化算术运算。

反优化

由于 JVM 是基于分析数据进行编译的，一旦程序行为发生变化，就会导致代码反优化，并回退到解释执行模式。这确保了执行的正确性，但可能会暂时影响性能。

重新编译

JVM 会持续监控程序的运行情况，并在必要时重新编译热点代码。如果某段原本未优化的代码变成了热点，JVM 就会对其进行编译以提升性能。

JVM、JRE 和 JDK 都是 Java 平台的重要组成部分，但它们的用途各不相同。JVM 是执行 Java 字节码的运行时引擎。JRE 和 JDK 是包含 JVM 以及其他工具和库的软件包。

JVM 与JRE

Java 运行时环境（JRE）是一个软件包，其中包含 JVM、Java 类库以及运行 Java 应用程序所需的其他组件。安装 JRE 后，您无需编译或修改代码，即可在系统上运行 Java 应用程序。

JVM 与JDK

Java 开发工具包（JDK）是一个软件包，其中包含 JRE 以及 Java 应用程序开发所需的其他开发工具。JDK 提供编译器、调试器、文档和其他实用工具，供开发人员编写、编译和调试 Java 代码。它是软件开发不可或缺的工具，使程序员能够创建和构建 Java 应用程序。

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