JVM组成部分

简要回答

• JVM可以分为类加载器、运行时数据区、执行引擎、本地方法接口和本地方法库五个部分组成。
• JVM通过类加载器将字节码（.class文件）加载到内存并生成class对象，运行时数据区作为JVM内存管理的区域中，使用特定的执行引擎将字节码翻译成底层系统指令，再交给CPU执行，这个过程需要调用其他语言的本地接口实现整个程序的功能。

详细回答

1. 类加载器ClassLoader：
   • 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)：是最顶层的加载类，JVM启动时加载核心类库（rt.jar,resources.jar,charset.jar等jar包和类,被参数-Xbootclasspath指定路径下的类）。
   • 扩展类加载器(Extension ClassLoader)：是启动类加载器的子类，加载扩展目录(lib/ext)中的类库。
   • 应用程序类加载器(Application ClassLoader)：是扩展类加载器的子类，加载当前应用类路径下的所有jar包和类。
2. 运行时数据区Runtime Data Area：是Java虚拟机在执行Java程序过程中管理内存的一种方式，将内存划分为不同的区域，分为程序计数器，Java虚拟机栈，本地方法栈，Java堆和方法区。每个区域都有特定的用途和生命周期。
   • 程序计数器：记录当前线程所执行的字节码指令的地址。生命周期与线程相同。
   • Java虚拟机栈：方法执行时会创建一个栈帧，存储局部变量、操作数栈、动态链接等。每个线程有独立的Java虚拟机栈，生命周期与线程相同。
   • 本地方法栈：用于存储java中使用native标记的本地方法。是线程私有的，可以固定或动态扩展。
   • 堆：所有线程共享的内存区域，存放对象实例和数组。也是垃圾回收器执行垃圾回收的主要区域。
   • 方法区（元空间）：所有线程共享的内存区域，存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量即时编译后的代码等数据。在启动JVM时创建，关闭JVM后释放。
3. 执行引擎Execution Engine：
   • 解释器：将字节码指令翻译为对应平台的本地机器指令，由CPU执行，当一条指令执行完后，根据PC寄存器中记录的下一条指令执行解释操作。
   • JIT编译器：将源代码直接编译成与本地平台有关的机器码，并且进行各种层次的优化。由中间代码生成器、代码优化器、目标代码生成器、分析器组成。
   • 垃圾回收器：主要用于Java堆的管理，系统运行期间会产生的大量对象实例，GC回收无用的对象。
4. 本地方法接口Native Method Interface：根据本地方法栈中有标记native的方法，生成一个对应的本地接口，启动执行引擎时，会根据本地方法接口去本地方法库中加载对应实现方法。
5. 本地方法库Native Method Library：存储本地方法的实现方法。

知识图解

1. JVM内部结构示意图
2. 执行引擎内部结构示意图

知识扩展

1. 扩展：

• 类加载过程：可以分为三个主要阶段：加载，链接，初始化。
  1. 加载阶段：根据类的全限定名，获取字节码文件的二进制流。将字节流解析为方法区中的运行时数据结构，在堆内存生成Class对象，作为方法区数据的访问入口。
  2. 链接阶段：
     • 验证：确保字节码符合JVM规范，保证安全性。
     • 准备：为类的静态变量分配内存并设置默认值。
     • 解析：将常量池中的符号引用转换为直接引用。
  3. 初始化阶段：执行类的构造器方法，完成静态变量赋值和静态代码块的执行，如果类有父类，则先初始化父类。
• JVM（虚拟机）：能够屏蔽操作系统平台相关信息，使Java程序只需要生成在Java虚拟机上运行的目标代码，即解释自己的字节码并映射到本地的CPU指令集和OS的系统调用，实现“一次编译，到处运行”。主要工作有：
  1. 加载、验证、执行代码。
  2. 为各种应用程序提供运行时环境，还提供了内存区域、寄存器集。
  3. 提供垃圾收集堆，会报告致命错误，提供类文件格式。
• rt.jar：代表RunTime，是Java基础类库，包含Java doc里所有的类的文件，如java.util.，java.io.，java.nio.，java.lang.，java.sql.*，java.math.*等常用内置库。

1. 面试官可能追问：

• Q1：解释器和JIT编译器的区别是什么？
  • 解释器会逐条执行字节码，没有编译开销，内存占用小，但是执行效率低。
  • JIT编译器会将热点代码编译成本地机器码，执行效率高，但是需要一定的编译时间，同时占用CodeCache。
• Q2：为什么Java解释和编译都有？
  • Java同时采用解释和编译执行，这样可以平衡启动速度和执行效率。
  • 编译性：使用JIT（即时编译器）可以将频繁执行的代码（热点代码）提前编译为机器码并缓存，后续直接执行机器码。
  • 解释性：使用JVM中的解释器，将字节码逐行翻译为机器码并立即执行，不用提前编译，启动速度快且有跨平台性。JVM中一个方法调用计数器，当累计计数大于一定值后，就使用JIT进行编译生成机器码文件。