一圖讀懂JVM架構解析
每個Java開發人員都知道位元組碼經由JRE（Java執行時環境）執行。但他們或許不知道JRE其實是由Java虛擬機器（JVM）實現，JVM分析位元組碼，解釋並執行它。作為開發人員，瞭解JVM的架構是非常重要的，因為它使我們能夠編寫出更高效的程式碼。本文中，我們將深入瞭解Java中的JVM架構和JVM的各個元件。
JVM
虛擬機器是物理機的軟體實現。Java的設計理念是WORA（Write Once Run Anywhere，一次編寫隨處執行）。編譯器將Java檔案編譯為Java .class檔案，然後將.class檔案輸入到JVM中，JVM執行類檔案的載入和執行的操作。請看以下的JVM架構圖：
JVM是如何工作的？
如上面架構圖所示，JVM分為三個主要子系統：
- 類載入器子系統（Class Loader Subsystem）
- 執行時資料區（Runtime Data Area）
- 執行引擎（Execution Engine）
1. 類載入器子系統
Java的動態類載入功能由類載入器子系統處理，處理過程包括載入和連結，並在類檔案執行時，首次引用類時就開始例項化類檔案，而不是在編譯時進行。
1.1 載入
Boot Strap類載入器，Extension類載入器和Application（類載入器是實現類載入過程的三個類載入器。
(1) Boot Strap類載入器：負責從引導類路徑載入類，除了rt.jar，它具有最高優先順序；
(2) Extension 類載入器：負責載入ext資料夾（jre \ lib）中的類；
(3) Application類載入器：負責載入應用程式級類路徑，環境變數中指定的路徑等資訊。
上面的類裝載器在載入類檔案時遵循委託層次演算法（Delegation Hierarchy Algorithm）。
1.2 連結
(1) 驗證（Verify）：位元組碼驗證器將驗證生成的位元組碼是否正確，如果驗證失敗，將提示驗證錯誤；
(2) 準備（Prepare）：對於所有靜態變數，記憶體將會以預設值進行分配；
(3) 解釋（Resolve）：有符號儲存器引用都將替換為來自方法區（Method Area）的原始引用。
1.3 初始化
這是類載入的最後階段，所有的靜態變數都將被賦予原始值，並且靜態區塊將被執行。
2. 執行時資料區
執行時資料區可分為5個主要元件：
(1) 方法區（Method Area）：所有的類級資料將儲存在這裡，包括靜態變數。每個JVM只有一個方法區，它是一個共享資源；
(2) 堆區域（Heap Area）：所有物件及其對應的例項變數和陣列將儲存在這裡。每個JVM也只有一個堆區域。由於方法和堆區域共享多個執行緒的記憶體，所儲存的資料不是執行緒安全的；
(3) 堆疊區（Stack Area）：對於每個執行緒，將建立單獨的執行時堆疊。對於每個方法呼叫，將在堆疊儲存器中產生一個條目，稱為堆疊幀。所有區域性變數將在堆疊記憶體中建立。堆疊區域是執行緒安全的，因為它不共享資源。堆疊框架分為三個子元素：
- 區域性變數陣列（Local Variable Array）：與方法相關，涉及區域性變數，並在此儲存相應的值
- 運算元堆疊（Operand stack）：如果需要執行任何中間操作，運算元堆疊將充當執行時工作空間來執行操作
- 幀資料（Frame Data）：對應於方法的所有符號儲存在此處。在任何異常的情況下，捕獲的區塊資訊將被保持在幀資料中；
(4) PC暫存器（PC Registers）：每個執行緒都有單獨的PC暫存器，用於儲存當前執行指令的地址。一旦執行指令，PC暫存器將被下一條指令更新；
(5) 本地方法堆疊（Native Method stacks）：本地方法堆疊儲存本地方法資訊。對於每個執行緒，將建立一個單獨的本地方法堆疊。
3 執行引擎
分配給執行時資料區的位元組碼將由執行引擎執行，執行引擎讀取位元組碼並逐個執行。
(1) 直譯器：直譯器更快地解釋位元組碼，但執行緩慢。直譯器的缺點是當一個方法被呼叫多次時，每次都需要一個新的解釋；
(2) JIT編譯器：JIT編譯器消除了直譯器的缺點。執行引擎將在轉換位元組碼時使用直譯器的幫助，但是當它發現重複的程式碼時，將使用JIT編譯器，它編譯整個位元組碼並將其更改為原生代碼。這個原生代碼將直接用於重複的方法呼叫，這提高了系統的效能。JIT的構成元件為：
- 中間程式碼生成器（Intermediate Code Generator）：生成中間程式碼
- 程式碼優化器（Code Optimizer）：負責優化上面生成的中間程式碼
- 目的碼生成器（Target Code Generator）：負責生成機器程式碼或原生代碼
- 分析器（Profiler）：一個特殊元件，負責查詢熱點，即該方法是否被多次呼叫；
(3) 垃圾收集器(Garbage Collector)：收集和刪除未引用的物件。可以通過呼叫“System.gc（）”觸發垃圾收集，但不能保證執行。JVM的垃圾回收物件是已建立的物件。
Java本機介面（JNI）：JNI將與本機方法庫進行互動，並提供執行引擎所需的本機庫。
本地方法庫（Native Method Libraries）：它是執行引擎所需的本機庫的集合。