Что такое виртуальная машина Java (JVM)
Виртуальная машина Java («Java Virtual Machine» — JVM) — это основная часть платформы Java Runtime Environment (JRE), которая интерпретирует байт-код Java для запуска программ.
Одним из наиболее значительных преимуществ использования является использование JVM для запуска программы Java в любой операционной среде. В её основе реализуется принцип WORA (Write once, run anywhere — «написал один раз, запускай везде»), который сильно упростил процессы разработки.
Как правило, считается, что JVM имеет двойное определение — техническое и неформальное.
Техническое: JVM — это спецификация программы, которая обеспечивает среду выполнения кода Java.
Неофициальное: JVM запускает приложения Java, c помощью настроенных параметров для управления всеми программными ресурсами.
Что делает виртуальная машина Java
JVM выполняет две основные функции:
- позволяет запускать Java-программы на любом устройстве или в любой операционной системе;
- даёт доступ к управлению памятью программ и её оптимизации.
Поскольку JVM — это хорошо известная среда выполнения со стандартизированной конфигурацией, мониторингом и управлением, она естественным образом подходит для контейнерной разработки с использованием таких технологий, как Docker.
Роль Java Virtual Machine
Теперь давайте более подробно рассмотрим место виртуальной машины Java в выполняемых процессах.
.jpg)
Если вы внимательно посмотрите на схему, добавленную выше, то будет несложно догадаться, что JVM образует слой между операционной системой и программами Java.
Это означает, что скомпилированная Java-программа будет связываться с Java Virtual Machine, а JVM будет общаться с операционной системой, являясь своего рода посредником между скомпилированными файлами классов и операционной системой.
Файл .class и байт-код
Когда дело доходит до выполнения программы, главное, что интересует виртуальную машину Java — это определённый формат файла – .class.
Файлы классов содержат наполовину скомпилированный код, называемый байт-кодом, который в свою очередь предоставляет JVM инструкции, таблицу символов и другую вспомогательную информацию.
Архитектура виртуальной машины Java
Понять, что такое виртуальная машина Java, будет немного проще, если познакомиться с её архитектурой и тем, как она работает. Поэтому важно рассмотреть строение JVM и особенности её частей.
Java Virtual Machine состоит из трёх отдельных компонентов:
- загрузчик классов;
- область памяти;
- исполнительный механизм.
(4).jpg)
- Загрузчик классов
Загрузчики классов отвечают за динамическую загрузку файлов .class в виртуальную машину Java и сохранения байт-кода в области метода JVM, о которой мы поговорим чуть позже.
Загрузчик классов Java бывает трёх типов:
- BootStrap ClassLoader (Загрузчик классов начальной загрузки) — это машинный код, который запускает операцию, когда её вызывает JVM. Его задача — загрузить классы из папки rt.jar.
- Extension ClassLoader (Загрузчик классов расширений) является дочерним элементом Bootstrap ClassLoader и загружает расширения основных классов Java из каталога jre/lib/ext или любого другого каталога, на который указывает java.ext.dirs.
- System ClassLoader (Системный загрузчик классов) загружает классы, найденные в переменной среды CLASSPATH, -classpath или параметре командной строки -cp.
- Область памяти
Область памяти или, как её ещё называют, область данных времени выполнения JVM состоит из 5 частей:
- Область метода предназначена для хранения данных файлов .class: например, метаданные, данные полей и методов, а также код метода. Область метода создаётся автоматически при запуске виртуальной машины, и для каждой ВМ существует только одна область метода.
- Область кучи. В куче хранятся все объекты и соответствующие им переменные экземпляра. Когда мы создаём новый экземпляр класса, он сразу же загружается в область кучи, которая остается единственной во время выполнения задачи.
- Область стека. В неё загружаются все локальные переменные, вызовы методов и частичные результаты.
- Регистры ПК. В регистре ПК хранится адреса виртуальных машин Java, выполняющих операцию в данный момент. В Java каждый поток получает свой собственный регистр ПК.
- Стеки нативных методов. Нативные методы — это методы, написанные на C или C++. Виртуальная машина JVM хранит стеки, которые поддерживают такие методы, с отдельным стеком собственных методов, выделенным для каждого потока.
- Исполнительный механизм
Этот тип программного обеспечения используется для тестирования оборудования и программного обеспечения. При этом он не сохраняет никакой информации о тестируемом продукте.
Он стоит из:
- интерпретатора;
- JIT-компилятора;
- сборщика мусора.
Перед выполнением программы интерпретатор и компилятор JIT («Just-in-time» — «точно в нужное время») преобразуют байт-код в машинные инструкции. Интерпретатор делает это построчно.
В тот момент, когда в сценарии обнаруживается повторяющийся код, к нему подключается JIT-компилятор для ускорения операции. Затем он компилирует байт-код и заменяет его собственным кодом. Такой процесс повышает производительность всей системы.
Но за что же в таком случае отвечает сборщик мусора? В некоторых других языках программирования (таких как C++) освобождение памяти от объектов без циклических ссылок зависит лишь от самого программиста. Однако в JVM этим занимается сборщик мусора, что оптимизирует использование памяти.
Важно отметить, что сборка мусора выполняется в JVM автоматически через определённые отрезки времени и не требует отдельного внимания специалистов. Конечно, этот процесс можно попробовать принудительно запустить, вызвав System.gc(), но нет никакой гарантии, что это сработает.
Заключение
Несмотря на то, что виртуальная машина Java изначально предназначалась только для запуска и выполнения программ Java, на сегодняшний день она способна поддерживать многие языки сценариев и программирования, что лишь укрепило популярность данной платформы.
В этой статье мы познакомились с виртуальной машиной Java, её архитектурой и основными компонентами, а также поговорили о месте JVM в запрашиваемых системой операциях.