您的位置: 首页  >  文章  >  JVM体系结构：JVM类加载器和运行时数据区

JVM体系结构：JVM类加载器和运行时数据区

分类: 文章 • 2024-07-16 10:35:40

各位读者好！ 在JVM系列的上一篇文章中，开发人员了解了Java虚拟机（JVM）及其体系结构。 本教程将帮助开发人员正确回答以下主题的问题：

  • ClassLoader子系统
  • 运行时数据区

1.简介

在继续之前，让我们看一下Java虚拟机及其基本特征。

1.1什么是Java虚拟机（JVM）？

Java虚拟机（JVM）是​​驻留在您的计算机上的抽象虚拟机，并为Java字节码提供了运行时环境以供执行。 JVM可用于许多硬件和软件平台，但是很少有Java开发人员知道Java运行时环境 （JRE）是Java虚拟机 （JVM）的实现。 JVM分析字节码，对其进行解释，然后执行相同的字节码以显示输出。

JVM的基本功能是执行已编译的.class文件（即字节码）并生成输出。 请注意 ，每个操作系统都有一个不同的JVM，但是在所有操作系统上生成的字节码输出都是相同的。 这意味着在Windows操作系统上生成的字节码也可以在Linux操作系统上运行，反之亦然，从而使Java成为独立于平台的语言。

JVM体系结构：JVM类加载器和运行时数据区

图1：Java虚拟机概述

1.1.1 JVM做什么？

Java虚拟机执行以下操作：

  • 加载所需的.class和jar文件
  • 分配参考并验证代码
  • 执行代码
  • 为Java字节码提供运行时环境

1.1.2 JVM内部架构

下图显示了符合JVM规范的Java虚拟机的关键内部组件。

JVM体系结构：JVM类加载器和运行时数据区

图2：Java虚拟机架构

下面分别解释图2中所示的类加载器和运行时数据区域组件。

1.2 ClassLoader子系统

类加载器子系统是Java虚拟机的基本核心，用于加载/读取.class文件并将字节码保存在JVM方法区域中。 该子系统处理动态类加载功能，并执行三个主要功能，即：

  • 加载 ：此组件处理将.class文件从硬件系统加载到JVM内存并存储二进制数据（例如完全限定的类名，直接父类名，有关方法，变量，构造函数的信息等）。在方法领域。 对于每个已加载的.class文件，JVM会立即在堆存储器上创建一个类型为java.lang.class的对象。 请记住 ，即使开发人员多次调用一个类，也只会创建一个类对象。 类加载器主要有三种类型：
    • Bootstrap或Primordial ClassLoader ： 该类加载器负责加载rt.jar存在的内部核心Java类以及java.lang.*包中存在的其他类。 默认情况下，每个JVM都可以使用它，并且以本机C / C ++语言编写。 该类加载器没有父级，如果开发人员调用String.class.getClassLoader() ，它将返回null并且基于此的任何代码都将在Java中引发NullPointerException
    • 扩展ClassLoader ：此类加载器是Primordial类加载器的子类，负责从扩展类路径（即jdk\jre\lib\ext ）加载类。 它使用Java语言编写，相应的.class文件是sun.misc.Launcher$ExtClassLoder.class
    • 应用程序或系统ClassLoader ：此类加载器是Extension类加载器的子类，负责从系统类路径加载类。 它在内部使用“ CLASSPATH ”环境变量，并以Java语言编写。 JVM中的系统类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader.class
  • 链接 ：此组件执行类或接口的链接。 由于此组件涉及新数据结构的分配，因此它可能会抛出OutOfMemoryError并执行三个重要的活动：
    • 验证 ：这是检查类的二进制表示形式并验证生成的.class文件是否有效的过程。 这个过程是通过字节码校验 ，如果产生执行.class文件是无效的，一个VerifyError抛出
    • 准备 ：这是为类级别或接口级别的静态变量分配内存并分配默认值的过程
    • 解决方法 ：这是将符号引用与方法区域中的原始内存引用进行更改的过程
  • 初始化 ：此组件执行类加载的最后阶段，在该阶段中，所有静态变量都被分配了原始值，并且静态块从父类执行到子类。 由于JVM是多线程的，因此此过程需要仔细的同步，并且某些线程可能会尝试同时初始化同一类或接口。
JVM体系结构：JVM类加载器和运行时数据区

图3：ClassLoader子系统概述

1.2.1 ClassLoader如何在Java中工作？

Java中的类加载器以三个原则工作，即委托 ， 可见性和唯一性 。

JVM体系结构：JVM类加载器和运行时数据区

图4：Java中的类加载机制

  • 代表团 ：据此：
    • 每当虚拟机遇到类时，JVM都会检查是否加载了指定的.class文件。
    • 如果.class文件已经加载到方法区域中，则JVM将考虑该类。 如果不是 ，则JVM请求classloader子系统加载该特定类
    • 类加载器系统将请求传递给应用程序类加载器，而应用程序类加载器又将此请求委托给扩展类加载器。 扩展类加载器将再次将该请求委托给原始类加载器
    • 原始类加载器将在引导类路径（即jdk\jre\lib\rt.jar ）中搜索此类。 如果找到，则加载相应的.class文件
    • 如果不是，则原始类加载器将请求委托给扩展类加载器。 这将在jdk\jre\lib\ext路径中搜索该类。 如果找到，则加载相应的.class文件
    • 如果不是，扩展类加载器会将请求委托给应用程序类加载器，并将在应用程序的类路径中搜索该类。 如果找到，它将被加载，否则开发人员将在运行时获取ClassNotFoundException
  • 可见性 ：据此：
    • 应用程序类加载器可以看到父类加载器加载的类，但反之亦然，例如，如果类是由系统类加载器加载的，而稍后再次尝试使用扩展类加载器显式加载相同的类，则将抛出ClassNotFoundException 。运行。 例如： 
      // Printing the classloader of this class.
System.out.println("Test.getClass().getClassLoader()?= " + Test.class.getClassLoader());
			
// Trying to explicitly load the class again using the extension classloader.
Class.forName("com.jcg.classloading.test.Test", true,  Test.class.getClassLoader().getParent());
  • 唯一性 ：据此：
    • 由父类加载器加载的类不应该由子类加载器需要重新加载

1.2.2如何在Java中加载类？

类加载器是分层的。 应用程序中的第一个类是借助static main()方法专门加载的。 所有后续类都可以通过静态或动态类加载技术来加载。

  • 静态类加载 ：在这种技术中，类是通过new运算符静态加载的
  • 动态类加载 ：在这种技术中，使用Class.forName()或loadClass()方法以编程方式加载类。 两者之间的区别在于，前者在加载对象后初始化该对象，而后者仅加载该类但不初始化该对象

1.3运行时数据区

如图5所示，该子系统分为五个主要部分，即

JVM体系结构：JVM类加载器和运行时数据区

图5：JVM运行时数据区

  • 方法区域 ：此组件保存每个.class文件的类级别数据，例如元数据，常量运行时池，静态变量，方法的代码等。每个JVM只有一个方法区域，并且在所有类之间共享。 默认情况下，分配给该区域的内存是由JVM分配的，或者可以根据计算需要增加。 以下异常情况与此区域相关，即
    • 如果方法区域不满足内存分配请求，那么JVM会抛出OutOfMemory错误
  • 堆区域 ：此组件是JVM内存的一部分，所有对象及其对应的实例变量和数组都存储在JVM内存中。 该内存区域是在JVM启动时创建的，并且只有一个堆区域跨多个线程共享，因为存储在该区域中的数据不是线程安全的。 如果存储在堆内存中的对象没有引用，则垃圾回收器 （即自动存储管理系统）回收该对象的内存； 此区域中的对象永远不会显式释放。 以下异常情况与此区域相关，即
    • 如果计算需要的堆空间超过可用的堆空间，那么JVM会抛出OutOfMemory错误
  • 堆栈区域 ：该组件还是JVM内存的一部分，所有临时变量都存储在该内存中。 该区域具有堆栈帧，并为每个线程分配一个帧。 一旦线程执行完成，该框架也会被破坏。 堆栈区域是线程安全的，因为它不是共享资源，并且分为三个子实体，例如：
    • 局部变量数组：虚拟机使用这些局部变量在方法调用时传递参数
    • 操作数堆栈：此位置是在方法执行期间执行操作的实际位置。 虚拟机从堆栈中获取操作数，对其进行操作，然后将结果压回操作数堆栈。 该堆栈还准备将参数传递给方法，甚至接收方法结果
    • 帧数据

    以下异常情况与此区域相关，即

    • 如果线程处理要求虚拟机堆栈超出其允许的限制，则JVM会引发*错误
    • 如果虚拟机堆栈未充分扩展，则JVM会抛出OutOfMemory错误
  • PC（程序计数器）寄存器 ：该组件保存当前正在执行的JVM指令的地址。 Java中的每个线程都有其自己的PC寄存器来保存当前执行指令的地址
  • 本机方法堆栈 ：此组件用另一种语言编写，并保存本机方法信息。 Java中的每个线程都有一个单独的本机方法堆栈。 以下异常情况与此区域相关，即
    • 如果线程处理需要本机堆栈超出其允许的限制，则JVM会引发*错误
    • 如果本机方法堆栈未充分扩展，则JVM会抛出OutOfMemory错误

这就是这篇文章的全部内容。 学习愉快！

2.结论

在本教程中，开发人员对虚拟机ClassLoader和Runtime Data Areas组件进行了概述。 您可以在“ 下载”部分中下载示例代码。

3.下载源代码

这是虚拟机ClassLoader和Runtime Data Areas组件的教程。

下载
您可以在此处下载本教程的源代码： JVM_Example

翻译自: https://www.javacodegeeks.com/2018/04/jvm-architecture-jvm-class-loader-and-runtime-data-areas.html

相关推荐