De architectuur van de Java Virtuele Machine (JVM) begrijpen

De Java Virtual Machine (JVM) is een cruciaal onderdeel van de Java runtime-omgeving, verantwoordelijk voor het uitvoeren van Java bytecode-programma's. Het biedt een consistente platformonafhankelijke softwareomgeving die ervoor zorgt dat Java-toepassingen naadloos kunnen draaien op verschillende hardware-architecturen en besturingssystemen. Het biedt een consistente platformonafhankelijke softwareomgeving waardoor Java-toepassingen naadloos kunnen draaien op verschillende hardware-architecturen en besturingssystemen, wat een belangrijk voordeel is van JVM.

Java-toepassingen worden meestal geschreven in de programmeertaal Java, gecompileerd in bytecodeformaat (*.class-bestanden) en vervolgens geladen en uitgevoerd door de JVM. De JVM vertaalt de bytecode naar native machinecode die specifiek is voor het onderliggende besturingssysteem en de hardware, waardoor Java-toepassingen op meerdere platformen kunnen draaien zonder aanpassingen. Dit proces wordt vaak het "Write Once, Run Anywhere" principe genoemd.

Bovendien zorgt de JVM voor geheugenbeheer, afvalverzameling en runtime-optimalisatie, waardoor het een essentieel onderdeel is voor de efficiënte uitvoering van Java-programma's.

JVM-componenten en hun functies

De JVM-architectuur bestaat uit verschillende componenten die samenwerken om de levenscyclus van Java-toepassingen te beheren. Deze componenten omvatten:

1. Classloader: De Classloader is verantwoordelijk voor het laden van Java-klassen vanaf de schijf in het JVM-geheugen, het oplossen van klasse-afhankelijkheden en het initialiseren van klassen terwijl het programma draait. De Classloader volgt een delegatiehiërarchie, beginnend met de Bootstrap Classloader, gevolgd door de Extension Classloader en de Application Classloader.
2. Runtime gegevensgebieden: JVM wijst geheugenruimten toe die Runtime Data Areas worden genoemd tijdens de uitvoering van het programma. Deze geheugenruimtes omvatten de Heap, Stack, Method Area, Constant Pool en PC Registers, waarin gegevens worden opgeslagen die nodig zijn voor verschillende aspecten van de levenscyclus van de applicatie.
3. Execution Engine: De Execution Engine is de kerncomponent die verantwoordelijk is voor het uitvoeren van Java-bytecode. De executie-engine interpreteert bytecode en zet deze tijdens runtime om in native machinecode. Het bevat componenten zoals Interpreter, Just-In-Time (JIT) Compiler en Garbage Collector.

In de volgende secties zullen we dieper ingaan op de details van JVM-geheugenbeheer en de verschillende geheugenruimtes die de JVM-architectuur vormen.

JVM-geheugenbeheer

Effectief geheugenbeheer is een essentieel aspect van de JVM-architectuur dat bijdraagt aan de efficiënte uitvoering van Java-toepassingen. JVM wijst verschillende geheugenruimten toe, genaamd Runtime Data Areas, om verschillende soorten gegevensopslag en -manipulatie tijdens de uitvoering van programma's af te handelen. De belangrijkste geheugengebieden in JVM zijn:

1. Heap: De Heap is het grootste geheugengebied in JVM en wordt gedeeld door alle threads in de applicatie. Het slaat geïnstantieerde objecten en arrays op die tijdens de uitvoering van het programma worden gemaakt. De Heap is verder onderverdeeld in 'Young Generation'- en 'Old Generation'-gebieden. Het Young Generation-gebied slaat nieuw aangemaakte objecten op, terwijl het Old Generation-gebied objecten bevat die meerdere vuilnisophaalcycli hebben overleefd.
2. Stapel: JVM maakt een aparte stack voor elke thread. Stapels slaan informatie op over methodeaanroepen, lokale variabelen en tussenresultaten van berekeningen tijdens de uitvoering van een programma. Elke entry in een stack wordt een Stack Frame genoemd, en de JVM beheert de Stack Frames onafhankelijk voor elke methode-aanroep.
3. Methodegebied: De Method Area wordt gedeeld door alle threads in de applicatie en slaat klassegegevens op, zoals namen van methodes, namen van variabelen en constante waarden. De Method Area bevat ook een Constant Pool, die constante waarden en symbolische verwijzingen bevat die door de bytecode worden gebruikt.
4. PC Registers: Het PC (Program Counter) Register is een geheugengebied dat het adres bevat van de momenteel uitvoerende JVM-instructie voor elke thread. Het PC Register helpt de JVM om bij te houden welke instructie als volgende moet worden uitgevoerd.

Naast deze geheugengebieden maakt JVM ook gebruik van een Garbage Collector, die automatisch geheugen dealloceert voor objecten die niet langer nodig zijn, waardoor geheugenlekken worden verminderd en het gebruik van bronnen wordt geoptimaliseerd.

Samengevat heeft de JVM-architectuur een goed gedefinieerd geheugenbeheersysteem dat de uitvoering van Java-toepassingen optimaliseert en een efficiënt gebruik van bronnen garandeert. Als ontwikkelaars de componenten van JVM en hun functies begrijpen, kunnen ze Java-toepassingen maken en optimaliseren voor de best mogelijke prestaties.

JVM-klassenlader

De Classloader is een essentieel onderdeel van de Java Virtual Machine (JVM) die Java-klassen in het JVM-geheugen laadt. Het is verantwoordelijk voor drie cruciale activiteiten: laden, koppelen en initialiseren. Laten we deze activiteiten in detail bekijken.

Laden

Laden is het proces van het ophalen van de klassenbestanden van de schijf en ze in het JVM-geheugen laden. De Classloader lokaliseert de vereiste klassebestanden aan de hand van de volledig gekwalificeerde klassenaam, die de package-naam en de klassenaam bevat. Er zijn drie soorten Classloaders in JVM:

1. Bootstrap Classloader: Dit is de ingebouwde Classloader van de JVM en laadt kern Java-klassen, zoals java.lang.Object en andere runtime-klassen uit het rt.jar-bestand.
2. Extensie Classloader: Deze Classloader is verantwoordelijk voor het laden van klassen uit de ext-directory van de JDK, die de extra Java-bibliotheken en frameworks bevat.
3. Systeem/Applicatie Classloader: De standaard Classloader laadt klassen uit het classpath van de toepassing. Het classpath kan worden opgegeven met de opties -cp of -classpath wanneer een Java-toepassing wordt uitgevoerd.

Try AppMaster no-code today!

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

Start Free

De Classloader volgt een delegatiehiërarchie, beginnend met de Bootstrap Classloader en dan verder naar beneden naar de Extension en System/Application Classloaders.

Afbeeldingsbron: Java Tutorial Netwerk

Koppelen

Het koppelingsproces brengt klasseverbindingen tot stand en controleert op inconsistenties of fouten. Het koppelen bestaat uit drie stappen:

1. Verificatie: Tijdens deze stap controleert de JVM of de geladen klassebestanden voldoen aan de structuur en beperkingen die zijn gespecificeerd in de Java Taalspecificatie. Misvormde of kwaadaardige class-bestanden worden in dit stadium geweigerd.
2. Voorbereiding: De JVM initialiseert statische velden, methoden en andere bronnen die nodig zijn voor de uitvoering van de klasse. Het wijst standaardwaarden toe aan de statische velden en wijst er geheugen voor toe.
3. Resolutie: Deze stap lost symbolische verwijzingen in de klassebestanden op door ze te vervangen door directe verwijzingen, zoals methodeadressen en veldoffsets. Dit proces wordt dynamisch uitgevoerd tijdens runtime.

Initialisatie

Initialisatie is de laatste stap van het Classloader proces. Tijdens deze fase voert de JVM alle statische codeblokken in de klasse uit en wijst de initiële waarden die in het klassebestand zijn gespecificeerd, toe aan statische velden. Het zorgt er ook voor dat statische initialisatie maar één keer gebeurt, zelfs in omgevingen met meerdere threads.

JIT-compiler en vuilnisverzamelaar

De Just-In-Time (JIT) Compiler en Garbage Collector zijn essentiële JVM-componenten die de prestaties van applicaties aanzienlijk optimaliseren en systeembronnen beheren.

JIT-compiler

De Just-In-Time (JIT) Compiler is verantwoordelijk voor het tijdens runtime omzetten van Java bytecode naar native machinecode. Dit proces optimaliseert de uitvoeringssnelheid van Java-toepassingen. De JIT-compiler compileert vaak aangeroepen methoden, slaat de gecompileerde code op in de cache en hergebruikt deze bij toekomstige uitvoeringen, waardoor de overhead van het herhaaldelijk interpreteren van bytecode wordt verminderd.

De JVM gebruikt een "hotspot-detectiemethode" om veelgebruikte methoden te identificeren. Zodra de hotspot-drempel is bereikt, schakelt de JIT-compiler in en compileert de bytecode naar native machinecode. De CPU voert deze gecompileerde code direct uit, wat leidt tot aanzienlijk snellere uitvoeringstijden.

Vuilnisman

De Garbage Collector (GC) is een essentieel JVM-onderdeel dat verantwoordelijk is voor het automatiseren van geheugenbeheer. Het wijst geheugen toe aan objecten die de applicatie niet langer nodig heeft of waarnaar de applicatie niet langer verwijst. Dit proces minimaliseert geheugenlekken en optimaliseert het gebruik van bronnen in Java-toepassingen. De JVM gebruikt een generatiestrategie voor afvalverzameling, waarbij het heapgeheugen wordt verdeeld in de generaties Young en Old. De Jonge generatie wordt verder onderverdeeld in de Eden Space, de Survivor Space 0 (S0) en de Survivor Space 1 (S1).

Het basisidee achter generatie-afvalverzameling is dat de meeste objecten een korte levensduur hebben en waarschijnlijk snel na creatie worden weggegooid. Daarom optimaliseert het regelmatig toewijzen en dealloceren van geheugen in de Young Generation het vuilnisophaalproces. De Garbage Collector ruimt ongebruikte objecten in het heap-geheugen op met behulp van verschillende algoritmen zoals Mark-Sweep-Compact, Kopiëren en Generational Collection.

JVM-runtime gegevensgebieden

JVM Runtime Data Areas zijn geheugenruimtes die door de JVM worden toegewezen om gegevens op te slaan tijdens de programma-uitvoering. Deze datagebieden zijn essentieel voor het beheren van bronnen en het vergemakkelijken van de efficiënte uitvoering van Java-toepassingen. De belangrijkste runtime datagebieden in de JVM zijn de Heap, Stack, Method Area, Constant Pool en PC Registers.

Heap

De Heap is een gedeeld geheugengebied in de JVM dat objecten en instance-variabelen opslaat. Het is het grootste geheugengebied en is verdeeld in generaties voor efficiënte vuilnisophaling, zoals uitgelegd in de sectie Garbage Collector. Aangezien objecten in de heap globaal kunnen worden benaderd, zijn synchronisatiemechanismen voor threads nodig om problemen met inconsistentie van gegevens in applicaties met meerdere threads te vermijden.

Stack

De Stack is een geheugengebied dat lokale variabelen en informatie over methode-aanroepen opslaat. Elke thread in de JVM heeft zijn stack, en de gegevens opgeslagen in de stack zijn enkel toegankelijk binnen het bereik van de overeenstemmende thread. Als gevolg hiervan is synchronisatie van threads niet nodig voor toegang tot stackgeheugen. De stack faciliteert de LIFO-methode (Last-In-First-Out) voor het opslaan en ophalen van gegevens, waardoor het efficiënt is voor het beheren van de uitvoering van methodeaanroepen.

Methode Gebied

De Method Area is een gedeelde geheugenruimte die metadata, constant pool informatie en statische velden voor elke geladen klasse opslaat. Dit gebied is cruciaal voor het beheren van klasse-gerelateerde informatie en het leveren van gegevens die nodig zijn voor dynamisch linken en het uitvoeren van bytecode.

Constantenpool

De Constant Pool is een datastructuur in het Method Area die constanten opslaat, zoals tekenreeksen, klassennamen en methoden waarnaar verwezen wordt door de Java bytecode. Het fungeert als een gecentraliseerde opslagplaats voor alle constante waarden en helpt bij het oplossen van symbolische verwijzingen tijdens het koppelingsproces.

PC-registers

Het Program Counter (PC) Register is een geheugengebied dat het adres van de momenteel uitvoerende Java bytecode-instructie voor elke thread opslaat. Het PC Register helpt bij het beheren van de uitvoering van threads en het bijhouden van de instructie-uitvoervolgorde in de JVM. Het bevat het geheugenadres van de volgende bytecode-instructie die moet worden uitgevoerd, en de waarde wordt overeenkomstig bijgewerkt terwijl de JVM de Java bytecode-instructies verwerkt.

Try AppMaster no-code today!

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

Start Free

Voordelen en beperkingen van de JVM-architectuur

De Java Virtual Machine (JVM) architectuur biedt vele voordelen, waardoor het een populaire keuze is voor ontwikkelaars. Geen enkel systeem heeft echter zijn beperkingen. Dit hoofdstuk geeft een overzicht van de voor- en nadelen van de JVM-architectuur.

Voordelen van JVM-architectuur

1. Platform onafhankelijkheid: Een van de belangrijkste voordelen van JVM is platformonafhankelijkheid. Dankzij de JVM kunnen Java-toepassingen op verschillende platforms draaien zonder dat er codewijzigingen nodig zijn. De JVM vertaalt Java-bytecode naar native machinecode die specifiek is voor het onderliggende platform, waardoor een naadloze uitvoering op verschillende hardware en besturingssystemen wordt gegarandeerd.
2. Schaalbaarheid: JVM is ontworpen om efficiënt om te gaan met grootschalige toepassingen, dankzij de mogelijkheden voor multithreading en geheugenbeheer. Dankzij deze eigenschappen kunnen ontwikkelaars toepassingen bouwen en onderhouden die veel gebruikers kunnen bedienen zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties.
3. Geheugenbeheer: Het geheugenbeheersysteem van JVM maakt optimaal gebruik van systeembronnen mogelijk. Het beheert het geheugen via verschillende geheugengebieden (Heap, Stack, Method Area en PC Register) en biedt garbage collection om automatisch geheugen terug te winnen dat wordt gebruikt door objecten die niet langer nodig zijn, waardoor geheugenlekken worden verminderd en de prestaties van applicaties worden verbeterd.
4. Geoptimaliseerde uitvoering van bytecode: JVM gebruikt Just-In-Time (JIT) compilatie om de uitvoering van Java bytecode te optimaliseren. De JIT-compiler vertaalt bytecode naar native machinecode tijdens runtime, waardoor de algehele uitvoeringssnelheid van Java-toepassingen wordt verbeterd door vaak aangeroepen methoden te compileren en de gecompileerde code te cachen voor toekomstig gebruik.
5. Vuilnisophaling: JVM's geautomatiseerde vuilnisophaling beheert het geheugen efficiënt door geheugenruimtes bezet door ongebruikte objecten te dealloceren. Garbage collection verbetert de prestaties van Java-toepassingen en vereenvoudigt geheugenbeheertaken voor ontwikkelaars.

Beperkingen van de JVM-architectuur

1. Prestatie-overhead: JVM introduceert enige prestatie-overhead als gevolg van de interpretatie- en compilatieprocessen. Het interpreteren van bytecode en het converteren naar machinecode tijdens runtime kan leiden tot een langzamere uitvoering dan toepassingen die zijn geschreven in talen die direct naar machinecode compileren.
2. Geheugengebruik: De verschillende onderdelen van JVM, zoals de classloader, executie-engine en runtime-gegevensgebieden, verbruiken systeemgeheugen. Dit verhoogde geheugengebruik kan invloed hebben op toepassingen die draaien op apparaten met beperkte bronnen, wat resulteert in verminderde prestaties.
3. Haperingen bij vuilnisophaling: De garbage collection functie van JVM biedt veel voordelen, maar kan ook prestatie haperingen veroorzaken als het niet goed geoptimaliseerd is. De vuilnisman kan bijvoorbeeld de uitvoering van een toepassing onderbreken om een volledige vuilnismanoeuvre uit te voeren, ook wel "stop-de-wereld" pauzes genoemd. Deze pauzes kunnen de prestaties van applicaties aanzienlijk beïnvloeden, vooral in scenario's met hoge doorvoer.

JVM en AppMaster.io: No-code Ontwikkeling verbeteren

AppMaster.io is een krachtig no-code platform ontworpen om snel backend, web en mobiele applicaties te maken. Het platform stelt gebruikers in staat om visueel datamodellen, bedrijfslogica en gebruikersinterfaces te creëren met behulp van een intuïtieve drag-and-drop interface.

Het zorgt voor het genereren, compileren en implementeren van toepassingen door toepassingen opnieuw te genereren zodra de vereisten veranderen, waardoor technische schulden worden geëlimineerd. Met zijn uitgebreide mogelijkheden kan AppMaster.io ook op verschillende manieren profiteren van de JVM-architectuur:

• Op Java gebaseerde tools en bibliotheken: JVM's uitgebreide ecosysteem van op Java gebaseerde tools en bibliotheken kunnen worden ingezet in toepassingen die zijn gebouwd met AppMaster.io. Het integreren van Java-bibliotheken kan de mogelijkheden van applicaties aanzienlijk vergroten en ontwikkeltijd besparen door oplossingen te bieden voor veelvoorkomende ontwikkelingstaken.
• Schaalbaarheid: De schaalbaarheidsfuncties van JVM, zoals multithreading en geheugenbeheer, kunnen worden gebruikt om toepassingen te maken die effectief schalen als het gebruikersbestand groeit. AppMaster.io kan helpen bij het bouwen van zeer schaalbare toepassingen op verschillende besturingssystemen en apparaten door JVM-functies te integreren.
• Geoptimaliseerde prestaties: De optimalisatiefuncties van JVM, zoals Just-In-Time (JIT) compilatie en automatische afvalverzameling, kunnen de prestaties van toepassingen gegenereerd door AppMaster.io verder verbeteren. Deze optimalisaties helpen het gebruik van toepassingsbronnen te maximaliseren, waardoor AppMaster.io gebouwde toepassingen sneller en efficiënter kunnen draaien.
• Geheugenbeheer: AppMaster.io kan profiteren van de geheugenbeheermogelijkheden van JVM om systeembronnen efficiënt te gebruiken, geheugenlekken te verminderen en de prestaties van toepassingen te verbeteren.

Concluderend kan de architectuur van JVM met zijn verschillende functies en voordelen de prestaties en mogelijkheden van toepassingen die gebouwd zijn met AppMaster.io verbeteren. Door gebruik te maken van het uitgebreide ecosysteem en de optimaliseringsfuncties van JVM, kan AppMaster.io gebruikers voorzien van nog krachtigere en efficiëntere no-code ontwikkeltools.