JVM 的主要组成及运行机制

一、组成及作用

JVM（Java Virtual Machine，Java虚拟机）是Java平台的核心组成部分，它负责执行Java字节码，为Java程序提供了一个跨平台运行的环境。 

JVM主要由以下几个关键组成部分构成，每个部分都有其特定的作用：

1. 类加载器（Class Loader）

        作用：负责查找并加载类的字节码文件（.class文件），然后构造出对应的java.lang.Class对象，并将这些类的元数据放入方法区。类加载器分为启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）、系统类加载器（Application ClassLoader）以及用户自定义类加载器。它们遵循双亲委派模型来确保类的安全加载。

2. 执行引擎（Execution Engine）

        作用：负责解释或编译字节码成为机器码并执行。执行引擎包括即时编译器（JIT Compiler），能够将热点代码编译成本地机器码以提高执行效率。此外，还包括解释器（Interpreter）等组件，解释器直接解释执行字节码，而即时编译器则在运行时动态地将字节码转换为更高效的本地代码。

3. 运行时数据区（Runtime Data Area）

主要包括以下部分：
        ａ．方法区（Method Area）：存储类的结构信息，如常量池、字段、方法数据、构造函数、静态变量等。从Java 8开始，永久代被元空间（Metaspace）取代，元空间不在JVM堆内，而是使用本地内存。
        ｂ．堆（Heap）：存放几乎所有的Java对象实例以及数组。堆是线程共享的，是垃圾回收的主要区域。
        ｃ．栈（Java Stack/Stack Memory）：每个线程私有，存储方法调用时的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。栈帧随着方法调用和返回而创建和销毁。
        ｄ．本地方法栈（Native Method Stack）：与Java栈类似，但服务于Native方法，同样用于存储方法调用的状态。
        ｅ．程序计数器（Program Counter Register）：当前线程所执行的字节码的行号指示器，字节码解析器的工作是通过改变这个计数器的值，来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能，都需要依赖这个 计数器来完成，几乎不发生内存溢出。

4. 本地接口（Native Interface）

        作用：使得Java代码可以调用C、C++等本地语言编写的代码和库，提供了Java与操作系统交互的能力。

JVM通过这些组成部分协同工作，实现了Java程序的跨平台运行、内存管理、类加载与链接、代码执行与优化等功能。 

二、 运行机制

Java程序的运行机制可以概括为以下几个步骤，这一过程体现了Java“编写一次，到处运行”的特性：

1. 源代码编写

        描述：开发者使用Java语言编写源代码文件，通常以.java作为文件扩展名。

2. 编译

        描述：使用Java编译器（javac）将源代码编译成字节码（.class文件）。字节码是一种中间语言，与硬件平台无关，是Java实现跨平台的关键。
        产物：生成的字节码文件可以在任何支持Java的平台上运行。

3. 类加载

        描述：当程序运行时，JVM的类加载器负责查找并加载所需的类字节码文件到内存中。这个过程包括了加载、验证、准备、解析和初始化几个阶段。
        类加载器：主要涉及启动类加载器、扩展类加载器、系统类加载器及可能的自定义加载器。

4. 字节码校验

        描述：为了保证安全性和合规性，JVM会对加载的字节码进行验证，检查其是否符合Java语言规范，防止非法操作。

5. 执行引擎执行

        解释执行：JVM的解释器逐条解释并执行字节码指令。
        即时编译（JIT）：对于频繁执行的热点代码，JVM的即时编译器会将其编译成本地机器码，直接执行，提高执行效率。

6. 内存管理

        堆和栈：对象实例存储在堆中，栈则保存方法调用信息和局部变量。JVM自动管理内存分配和回收，包括垃圾收集机制来回收不再使用的对象所占的内存。

7. 垃圾回收（Garbage Collection, GC）

        描述：JVM自动进行垃圾回收，释放不再使用的对象占用的内存，减轻了程序员手动管理内存的负担。

8. 本地方法调用

        描述：Java程序可以通过JNI（Java Native Interface）调用本地库中的函数，实现与操作系统或其他语言编写的代码的交互。

9. 程序结束

        描述：当程序执行完毕或因异常终止时，JVM会进行资源清理，包括关闭线程、释放内存等操作。

整个过程体现了Java语言的跨平台特性和自动内存管理的优势，简化了开发和部署流程。 

运行机制与类加载同源，只是描述的方向不一样，运行机制包含类加载过程。java类加载过程参考：java的类加载过程_java 类加载是首次使用才会加载吗-CSDN博客