Memahami Arsitektur Java Virtual Machine (JVM)

Java Virtual Machine (JVM) adalah komponen penting dari lingkungan runtime Java , yang bertanggung jawab untuk mengeksekusi program bytecode Java. Ini menyediakan lingkungan perangkat lunak platform-independen yang konsisten yang memungkinkan aplikasi Java berjalan mulus di berbagai arsitektur perangkat keras dan sistem operasi, yang merupakan keunggulan utama JVM.

Aplikasi Java biasanya ditulis dalam bahasa pemrograman Java, dikompilasi ke dalam format bytecode (file *.class), lalu dimuat dan dieksekusi oleh JVM. JVM menerjemahkan bytecode menjadi kode mesin asli khusus untuk sistem operasi dan perangkat keras yang mendasarinya, yang memungkinkan aplikasi Java berjalan di berbagai platform tanpa modifikasi. Proses ini sering disebut sebagai prinsip "Tulis Sekali, Jalankan Di Mana Saja".

Selain itu, JVM menangani pengelolaan memori, pengumpulan sampah, dan pengoptimalan runtime, menjadikannya komponen penting untuk pelaksanaan program Java yang efisien.

Komponen JVM dan Fungsinya

Arsitektur JVM terdiri dari beberapa komponen yang bekerja sama untuk mengelola siklus hidup aplikasi Java. Komponen-komponen ini meliputi:

1. Classloader: Classloader bertanggung jawab untuk memuat kelas Java dari disk ke dalam memori JVM, menyelesaikan dependensi kelas, dan menginisialisasi kelas saat program sedang berjalan. Classloader mengikuti hierarki delegasi, dimulai dengan Bootstrap Classloader, diikuti oleh Extension Classloader, dan Application Classloader.
2. Area Data Runtime: JVM mengalokasikan ruang memori yang disebut Area Data Runtime selama eksekusi program. Ruang memori ini meliputi Heap, Stack, Method Area, Constant Pool, dan PC Registers, yang menyimpan data yang diperlukan untuk berbagai aspek siklus hidup aplikasi.
3. Execution Engine: Execution Engine adalah komponen inti yang bertanggung jawab untuk mengeksekusi bytecode Java. Mesin eksekusi menginterpretasikan bytecode dan mengubahnya menjadi kode mesin asli selama runtime. Ini termasuk komponen seperti Interpreter, Just-In-Time (JIT) Compiler, dan Garbage Collector.

Pada bagian berikut, kita akan mendalami lebih dalam detail manajemen memori JVM dan berbagai ruang memori yang membentuk arsitektur JVM.

Manajemen Memori JVM

Manajemen memori yang efektif adalah aspek penting dari arsitektur JVM yang berkontribusi pada eksekusi aplikasi Java yang efisien. JVM mengalokasikan berbagai ruang memori, yang disebut Area Data Runtime, untuk menangani berbagai jenis penyimpanan dan manipulasi data selama eksekusi program. Area memori utama di JVM meliputi:

1. Heap: Heap adalah area memori terbesar di JVM dan dibagi di antara semua utas dalam aplikasi. Ini menyimpan objek dan larik yang dibuat selama eksekusi program. Heap selanjutnya dibagi menjadi area 'Generasi Muda' dan 'Generasi Tua'. Area Generasi Muda menyimpan objek yang baru dibuat, sedangkan area Generasi Tua berisi objek yang bertahan dari beberapa siklus pengumpulan sampah.
2. Tumpukan: JVM membuat tumpukan terpisah untuk setiap utas. Stack menyimpan informasi pemanggilan metode, variabel lokal, dan hasil antara perhitungan selama eksekusi program. Setiap entri dalam tumpukan disebut Bingkai Tumpukan, dan JVM mengelola Bingkai Tumpukan secara independen untuk setiap pemanggilan metode.
3. Area Metode: Area Metode dibagikan di antara semua utas dalam aplikasi dan menyimpan data kelas, seperti nama metode, nama variabel, dan nilai konstanta. Area Metode juga berisi Kumpulan Konstan, yang menyimpan nilai konstan dan referensi simbolis yang digunakan oleh bytecode.
4. Register PC: Register PC (Program Counter) adalah area memori yang berisi alamat instruksi JVM yang sedang dieksekusi untuk setiap utas. Daftar PC membantu JVM melacak instruksi mana yang akan dieksekusi selanjutnya.

Terlepas dari area memori ini, JVM juga menggunakan Pengumpul Sampah, yang secara otomatis membatalkan alokasi memori untuk objek yang tidak diperlukan lagi, sehingga mengurangi kebocoran memori dan mengoptimalkan penggunaan sumber daya.

Singkatnya, arsitektur JVM memiliki sistem manajemen memori yang terdefinisi dengan baik yang mengoptimalkan eksekusi aplikasi Java dan memastikan penggunaan sumber daya yang efisien. Memahami komponen JVM dan fungsinya memungkinkan pengembang untuk membuat dan mengoptimalkan aplikasi Java untuk kinerja terbaik.

Pemuat Kelas JVM

Classloader adalah komponen penting dari Java Virtual Machine (JVM) yang memuat kelas Java ke dalam memori JVM. Ini bertanggung jawab atas tiga aktivitas penting: memuat, menautkan, dan menginisialisasi. Mari jelajahi aktivitas ini secara mendetail.

Memuat

Memuat adalah proses mengambil file kelas dari disk dan memuatnya ke dalam memori JVM. Classloader menempatkan file kelas yang diperlukan menggunakan nama kelas yang memenuhi syarat, yang meliputi nama paket dan nama kelas. Ada tiga jenis Classloader di JVM:

1. Bootstrap Classloader: Ini adalah Classloader bawaan JVM dan memuat kelas inti Java, seperti java.lang.Object dan kelas runtime lainnya dari file rt.jar .
2. Extension Classloader: Classloader ini bertanggung jawab untuk memuat kelas dari direktori ext JDK, yang berisi pustaka dan kerangka kerja Java tambahan.
3. System/Application Classloader: Classloader default memuat kelas dari classpath aplikasi. Classpath dapat ditentukan menggunakan opsi -cp atau -classpath saat menjalankan aplikasi Java.

Try AppMaster no-code today!

Platform can build any web, mobile or backend application 10x faster and 3x cheaper

Start Free

Classloader mengikuti hierarki delegasi, dimulai dengan Bootstrap Classloader dan pindah ke Extension dan System/Application Classloader.

Sumber gambar: Jaringan Tutorial Java

Menautkan

Proses penautan menetapkan koneksi kelas dan memeriksa ketidakkonsistenan atau kesalahan. Menautkan terdiri dari tiga langkah:

1. Verifikasi: Selama langkah ini, JVM memastikan bahwa file kelas yang dimuat mematuhi struktur dan batasan yang ditentukan dalam Spesifikasi Bahasa Java. Semua file kelas yang cacat atau berbahaya akan ditolak pada tahap ini.
2. Persiapan: JVM menginisialisasi bidang statis, metode, dan sumber daya lain yang diperlukan untuk eksekusi kelas. Ini menetapkan nilai default ke bidang statis dan mengalokasikan memori untuknya.
3. Resolusi: Langkah ini menyelesaikan referensi simbolik dalam file kelas dengan menggantinya dengan referensi langsung, seperti alamat metode dan offset bidang. Proses ini dilakukan secara dinamis saat runtime.

Inisialisasi

Inisialisasi adalah langkah terakhir dari proses Classloader. Selama fase ini, JVM menjalankan blok kode statis apa pun di kelas dan menetapkan nilai awal yang ditentukan dalam file kelas ke bidang statis. Ini juga memastikan bahwa inisialisasi statis hanya terjadi sekali, bahkan di lingkungan multithreaded.

Penyusun JIT dan Pengumpul Sampah

Kompiler Just-In-Time (JIT) dan Pengumpul Sampah adalah komponen JVM penting yang secara signifikan mengoptimalkan kinerja aplikasi dan mengelola sumber daya sistem.

Penyusun JIT

Kompiler Just-In-Time (JIT) bertanggung jawab untuk mengubah bytecode Java menjadi kode mesin asli saat runtime. Proses ini mengoptimalkan kecepatan eksekusi aplikasi Java. Kompiler JIT mengkompilasi metode yang sering disebut, menyimpan kode yang dikompilasi, dan menggunakannya kembali dalam eksekusi di masa mendatang, mengurangi overhead dalam menafsirkan bytecode berulang kali.

JVM menggunakan metode "deteksi hotspot" untuk mengidentifikasi metode yang sering dipanggil. Setelah ambang hotspot tercapai, Kompiler JIT memulai dan mengkompilasi bytecode menjadi kode mesin asli. CPU mengeksekusi kode yang dikompilasi ini secara langsung, menghasilkan waktu eksekusi yang jauh lebih cepat.

Pemulung

Pengumpul Sampah (GC) adalah komponen JVM penting yang bertanggung jawab untuk mengotomatisasi manajemen memori. Ini membatalkan alokasi memori dari objek yang tidak lagi dibutuhkan atau dirujuk oleh aplikasi. Proses ini meminimalkan kebocoran memori dan mengoptimalkan pemanfaatan sumber daya dalam aplikasi Java. JVM menggunakan strategi pengumpulan sampah generasi, membagi memori heap menjadi generasi Muda dan Tua. Generasi Muda dibagi lagi menjadi Eden Space, Survivor Space 0 (S0), dan Survivor Space 1 (S1).

Ide dasar di balik pengumpulan sampah generasi adalah bahwa sebagian besar objek memiliki umur pendek dan kemungkinan besar akan menjadi sampah yang dikumpulkan segera setelah dibuat. Oleh karena itu, alokasi dan dealokasi memori yang sering di Generasi Muda mengoptimalkan proses pengumpulan sampah. Pengumpul Sampah membersihkan objek yang tidak terpakai di memori tumpukan menggunakan berbagai algoritme seperti Mark-Sweep-Compact, Penyalinan, dan Pengumpulan Generasi.

Area Data Runtime JVM

Area Data Runtime JVM adalah ruang memori yang dialokasikan oleh JVM untuk menyimpan data selama eksekusi program. Area data ini sangat penting untuk mengelola sumber daya dan memfasilitasi eksekusi aplikasi Java yang efisien. Area data runtime utama di JVM termasuk Heap, Stack, Method Area, Constant Pool, dan PC Registers.

Tumpukan

Heap adalah area memori bersama di JVM yang menyimpan objek dan variabel instan. Ini adalah area memori terbesar dan dibagi menjadi beberapa generasi untuk pengumpulan sampah yang efisien, seperti yang dijelaskan di bagian Pengumpul Sampah. Karena objek di heap dapat diakses secara global, mekanisme sinkronisasi thread diperlukan untuk menghindari masalah ketidakkonsistenan data dalam aplikasi multithreaded.

Tumpukan

Stack adalah area memori yang menyimpan variabel lokal dan informasi pemanggilan metode. Setiap utas di JVM memiliki tumpukannya sendiri, dan data yang disimpan dalam tumpukan hanya dapat diakses dalam lingkup utas yang sesuai. Akibatnya, sinkronisasi utas tidak diperlukan untuk akses memori tumpukan. Stack memfasilitasi metode Last-In-First-Out (LIFO) untuk menyimpan dan mengambil data, menjadikannya efisien untuk mengelola eksekusi pemanggilan metode.

Area Metode

Area Metode adalah ruang memori bersama yang menyimpan metadata, informasi kumpulan konstan, dan bidang statis untuk setiap kelas yang dimuat. Area ini sangat penting untuk mengelola informasi terkait kelas dan menyediakan data yang diperlukan untuk penautan dinamis dan eksekusi bytecode.

Kolam Konstan

Kumpulan Konstan adalah struktur data di Area Metode yang menyimpan konstanta, seperti literal string, nama kelas, dan nama metode yang direferensikan oleh bytecode Java. Ini bertindak sebagai repositori terpusat untuk semua nilai konstanta dan membantu dalam menyelesaikan referensi simbolik selama proses penautan.

Register PC

Program Counter (PC) Register adalah area memori yang menyimpan alamat instruksi bytecode Java yang sedang dieksekusi untuk setiap thread. Daftar PC membantu mengelola eksekusi utas dan mempertahankan urutan eksekusi instruksi di JVM. Ini berisi alamat memori dari instruksi bytecode berikutnya yang akan dieksekusi, dan nilainya diperbarui sesuai dengan JVM memproses instruksi bytecode Java.

Try AppMaster no-code today!

Platform can build any web, mobile or backend application 10x faster and 3x cheaper

Start Free

Manfaat dan Keterbatasan Arsitektur JVM

Arsitektur Java Virtual Machine (JVM) menawarkan banyak keuntungan, menjadikannya pilihan populer bagi pengembang. Namun, tidak ada sistem tanpa keterbatasannya. Bagian ini memberikan ikhtisar tentang manfaat dan kelemahan arsitektur JVM.

Manfaat Arsitektur JVM

1. Kemandirian Platform: Salah satu keuntungan paling signifikan dari JVM adalah kemandirian platform. Berkat JVM, aplikasi Java dapat berjalan di berbagai platform tanpa memerlukan modifikasi kode apa pun. JVM menerjemahkan bytecode Java menjadi kode mesin asli khusus untuk platform yang mendasarinya, memastikan eksekusi mulus di berbagai perangkat keras dan sistem operasi.
2. Skalabilitas: JVM dirancang untuk menangani aplikasi berskala besar secara efisien, berkat kemampuan multithreading dan fitur manajemen memorinya. Karakteristik ini memungkinkan pengembang membangun dan memelihara aplikasi yang dapat melayani banyak pengguna tanpa mengorbankan kinerja.
3. Manajemen Memori: Sistem manajemen memori JVM memungkinkan pemanfaatan sumber daya sistem secara optimal. Ini mengelola memori melalui area memori yang berbeda (Tumpukan, Tumpukan, Area Metode, dan Daftar PC) dan menyediakan pengumpulan sampah untuk secara otomatis merebut kembali memori yang ditempati oleh objek yang tidak lagi diperlukan, mengurangi kebocoran memori, dan meningkatkan kinerja aplikasi.
4. Eksekusi Bytecode yang Dioptimalkan: JVM menggunakan kompilasi Just-In-Time (JIT) untuk mengoptimalkan eksekusi bytecode Java. Kompiler JIT menerjemahkan bytecode ke dalam kode mesin asli selama runtime, meningkatkan kecepatan eksekusi keseluruhan aplikasi Java dengan mengkompilasi metode yang sering disebut dan menyimpan kode yang dikompilasi untuk digunakan di masa mendatang.
5. Pengumpulan Sampah: Pengumpulan sampah otomatis JVM secara efisien mengelola memori dengan membatalkan alokasi ruang memori yang ditempati oleh objek yang tidak digunakan. Pengumpulan sampah meningkatkan kinerja aplikasi Java dan menyederhanakan tugas manajemen memori untuk pengembang.

Keterbatasan Arsitektur JVM

1. Performance Overhead: JVM memperkenalkan beberapa overhead kinerja karena proses interpretasi dan kompilasi. Menafsirkan bytecode dan mengonversinya menjadi kode mesin asli selama runtime dapat menyebabkan eksekusi lebih lambat daripada aplikasi yang ditulis dalam bahasa yang dikompilasi langsung ke kode mesin.
2. Penggunaan Memori: Berbagai komponen JVM, seperti classloader, mesin eksekusi, dan area data runtime, menghabiskan memori sistem. Penggunaan memori yang meningkat ini dapat memengaruhi aplikasi yang berjalan pada perangkat dengan sumber daya terbatas, sehingga menurunkan kinerja.
3. Cegukan Pengumpulan Sampah: Fitur pengumpulan sampah JVM menawarkan banyak manfaat tetapi juga dapat menyebabkan gangguan kinerja jika tidak dioptimalkan dengan benar. Misalnya, pengumpul sampah mungkin menjeda eksekusi aplikasi untuk melakukan siklus pengumpulan sampah penuh, disebut sebagai jeda "stop-the-world". Jeda ini dapat memengaruhi performa aplikasi secara signifikan, terutama dalam skenario throughput tinggi.

JVM dan AppMaster.io : Meningkatkan Pengembangan No-code

AppMaster.io adalah platform tanpa kode yang kuat yang dirancang untuk membuat aplikasi backend, web, dan seluler dengan cepat. Platform ini memungkinkan pengguna membuat model data , logika bisnis, dan antarmuka pengguna secara visual menggunakan antarmuka seret dan lepas yang intuitif.

Ini menangani pembuatan, kompilasi, dan penyebaran aplikasi dengan membuat ulang aplikasi dari awal setiap kali persyaratan berubah, sehingga menghilangkan hutang teknis. Dengan kemampuannya yang luas, AppMaster.io juga dapat memanfaatkan arsitektur JVM dalam beberapa cara:

• Alat dan Pustaka Berbasis Java: Ekosistem luas alat dan pustaka berbasis Java JVM dapat digunakan dalam aplikasi yang dibangun menggunakan AppMaster.io . Mengintegrasikan pustaka Java dapat secara signifikan meningkatkan kemampuan aplikasi dan menghemat waktu pengembangan dengan memberikan solusi untuk tugas pengembangan umum.
• Skalabilitas: Fitur skalabilitas JVM, seperti multithreading dan manajemen memori, dapat dimanfaatkan untuk membuat aplikasi yang dapat diskalakan secara efektif seiring pertumbuhan basis pengguna. AppMaster.io dapat membantu membangun aplikasi yang sangat skalabel di berbagai sistem operasi dan perangkat dengan menggabungkan fitur JVM.
• Kinerja yang Dioptimalkan: Fitur pengoptimalan JVM, seperti kompilasi Just-In-Time (JIT) dan pengumpulan sampah otomatis, dapat semakin meningkatkan kinerja aplikasi yang dihasilkan oleh AppMaster.io . Pengoptimalan ini membantu memaksimalkan penggunaan sumber daya aplikasi, memungkinkan aplikasi yang dibuat oleh AppMaster.io berjalan lebih cepat dan lebih efisien.
• Manajemen Memori: AppMaster.io dapat memanfaatkan kemampuan manajemen memori JVM untuk memanfaatkan sumber daya sistem secara efisien, mengurangi kebocoran memori, dan meningkatkan kinerja aplikasi.

Kesimpulannya, dengan berbagai fitur dan manfaatnya, arsitektur JVM dapat meningkatkan performa dan kapabilitas aplikasi yang dibangun menggunakan AppMaster.io. Dengan memanfaatkan fitur pengoptimalan dan ekosistem JVM yang ekstensif, AppMaster.io dapat memberi pengguna alat pengembangan no-code yang lebih kuat dan efisien.