1.3.2　JVM的體系結(jié)構(gòu)

Java虛擬機(jī)這個(gè)名稱聽(tīng)起來(lái)很高端，其實(shí)它不過(guò)是一套程序包而已，這些程序構(gòu)成了系統(tǒng)平臺(tái)里面的Java運(yùn)行環(huán)境。在Java編程領(lǐng)域，人們更習(xí)慣將Java虛擬機(jī)稱作JVM，免得產(chǎn)生誤解。

JVM主要分為5大模塊，包括類加載器、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)、執(zhí)行引擎、本地方法接口和垃圾收集模塊，簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：

1．類加載器

顧名思義，類加載器用于加載Java的類文件（class文件），也就是把一個(gè)或若干個(gè)class文件讀到內(nèi)存中，并為其指定唯一標(biāo)識(shí)，以便外部訪問(wèn)class文件內(nèi)部的數(shù)據(jù)與接口。

2．運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

數(shù)據(jù)區(qū)存放著Java程序在運(yùn)行時(shí)需要的各種數(shù)據(jù)空間，包含棧區(qū)、堆區(qū)、PC寄存器、本地方法棧、方法區(qū)5類數(shù)據(jù)，分別說(shuō)明如下。

• 棧區(qū)：存放當(dāng)前正在執(zhí)行的方法所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括基本類型變量、對(duì)象的引用、方法的返回地址等。每個(gè)線程都擁有自己的棧區(qū)，且棧內(nèi)數(shù)據(jù)不可被其他線程訪問(wèn)。
• 堆區(qū)：存放程序用到的所有對(duì)象信息，堆區(qū)里的數(shù)據(jù)可被程序的所有線程共享。
• PC寄存器（程序計(jì)數(shù)寄存器）：注意此PC指的是Program Counter（程序計(jì)數(shù)器），而非Personal Computer（個(gè)人計(jì)算機(jī)）。JVM支持多線程運(yùn)行，每個(gè)線程都擁有自己的PC寄存器，寄存器中保存著當(dāng)前正在執(zhí)行的指令地址。
• 本地方法棧：這是一個(gè)特殊的棧區(qū)，用于同本地方法接口之間的數(shù)據(jù)交互。
• 方法區(qū)：主要存放已經(jīng)被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯后的代碼等　　數(shù)據(jù)。

其中，棧區(qū)、堆區(qū)、方法區(qū)存放的數(shù)據(jù)是有關(guān)聯(lián)的。每段Java代碼定義了各自的類，這些類信息就保存在方法區(qū)；一個(gè)類可以創(chuàng)建多個(gè)對(duì)象，這些對(duì)象信息就保存在堆區(qū)；每個(gè)對(duì)象又會(huì)被多次用到，每次使用的時(shí)候，該對(duì)象的引用就保存在棧區(qū)。但不同版本的JDK對(duì)字符串常量的處理方式并不一樣，在JDK 1.7之前，字符串常量保存在方法區(qū)，而在JDK 1.7之后，字符串常量改為保存到堆區(qū)了。

3．執(zhí)行引擎

因?yàn)镴VM采用自己的一套指令系統(tǒng)，所以JVM通過(guò)執(zhí)行引擎來(lái)運(yùn)行字節(jié)碼。不同JVM采用的執(zhí)行技術(shù)不盡相同，常見(jiàn)的主要有3種，分別是解釋、即時(shí)編譯和自適應(yīng)優(yōu)化，簡(jiǎn)要介紹如下。

• 解釋：第一代JVM采用解釋執(zhí)行，它將字節(jié)碼解釋為本地系統(tǒng)所能理解的機(jī)器碼。由于在運(yùn)行時(shí)才一條一條解釋成機(jī)器碼，因此該方式的執(zhí)行效率較低。
• 即時(shí)編譯：即時(shí)編譯（Just-In-Time Compilation，JIT）屬于第二代JVM。當(dāng)JVM發(fā)現(xiàn)某個(gè)代碼塊會(huì)特別頻繁的運(yùn)行時(shí)，就把該代碼塊全部編譯成機(jī)器碼，再執(zhí)行編譯好的這段機(jī)器碼。通過(guò)將多次解釋減少到一次編譯，從而提高程序的運(yùn)行效率。
• 自適應(yīng)優(yōu)化：該方式在即時(shí)編譯的基礎(chǔ)上繼續(xù)改進(jìn)，首次運(yùn)行時(shí)對(duì)所有代碼都采取解釋執(zhí)行，接著監(jiān)視代碼的執(zhí)行情況，對(duì)那些經(jīng)常調(diào)用的方法啟動(dòng)一個(gè)后臺(tái)線程，將其編譯為機(jī)器碼并加以優(yōu)化。如果某個(gè)方法不再頻繁使用，就取消它對(duì)應(yīng)的編譯代碼，恢復(fù)對(duì)其解釋執(zhí)行。

4．本地方法接口

本地方法接口（Java Native Interface，JNI）允許JVM上的程序調(diào)用本地程序和類庫(kù)，或者被對(duì)方調(diào)用。這些本地程序和類庫(kù)由其他語(yǔ)言編寫(xiě)，例如C語(yǔ)言、C++語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言。通過(guò)JNI的協(xié)助，JVM能夠讓Java程序調(diào)用已經(jīng)存在的本地支持庫(kù)，而無(wú)須關(guān)心底層的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，這類本地服務(wù)包括但不限于：文件的輸入輸出、圖像的加工處理、音視頻的錄制與播放等。

5．垃圾收集模塊

因?yàn)槿魏卧O(shè)備的內(nèi)存都是有限的，所以JVM提供了垃圾收集機(jī)制，也就是回收那些已經(jīng)不用的對(duì)象，把它們占用的內(nèi)存空間釋放出來(lái)重新利用。譬如租房子，等到原來(lái)的房客離去之后，管家就要重新收拾這個(gè)房子，打掃干凈再去招徠新的房客。

總結(jié)一下，JVM各模塊的體系結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系如圖1-38所示。