Zrozumienie architektury wirtualnej maszyny Java (JVM)

Java Virtual Machine (JVM) jest kluczowym komponentem środowiska uruchomieniowego Java, odpowiedzialnym za wykonywanie programów kodu bajtowego Java. Zapewnia spójne, niezależne od platformy środowisko programistyczne, które umożliwia płynne uruchamianie aplikacji Java na różnych architekturach sprzętowych i systemach operacyjnych, co jest kluczową zaletą JVM.

Aplikacje Java są zazwyczaj pisane w języku programowania Java, kompilowane do formatu kodu bajtowego (pliki *.class), a następnie ładowane i wykonywane przez maszynę JVM. JVM tłumaczy kod bajtowy na natywny kod maszynowy specyficzny dla bazowego systemu operacyjnego i sprzętu, co pozwala aplikacjom Java działać na wielu platformach bez modyfikacji. Proces ten jest często określany jako zasada "Write Once, Run Anywhere".

Co więcej, JVM zajmuje się zarządzaniem pamięcią, zbieraniem śmieci i optymalizacją środowiska uruchomieniowego, co czyni ją niezbędnym komponentem do wydajnego wykonywania programów Java.

Komponenty JVM i ich funkcje

Architektura JVM składa się z kilku komponentów, które współpracują ze sobą w celu zarządzania cyklem życia aplikacji Java. Składniki te obejmują:

1. Classloader: Classloader jest odpowiedzialny za ładowanie klas Java z dysku do pamięci JVM, rozwiązywanie zależności klas i inicjowanie klas podczas działania programu. Classloader podąża za hierarchią delegacji, zaczynając od Bootstrap Classloader, a następnie Extension Classloader i Application Classloader.
2. Obszary danych środowiska uruchomieniowego: JVM alokuje przestrzenie pamięci zwane Runtime Data Areas podczas wykonywania programu. Te przestrzenie pamięci obejmują Heap, Stack, Method Area, Constant Pool i PC Registers, które przechowują dane wymagane dla różnych aspektów cyklu życia aplikacji.
3. Silnik wykonawczy: Silnik wykonawczy jest podstawowym komponentem odpowiedzialnym za wykonywanie kodu bajtowego Java. Silnik wykonawczy interpretuje kod bajtowy i konwertuje go na natywny kod maszynowy w czasie wykonywania. Obejmuje on takie komponenty jak Interpreter, Kompilator Just-In-Time (JIT) i Garbage Collector.

W kolejnych sekcjach zagłębimy się w szczegóły zarządzania pamięcią JVM i różne przestrzenie pamięci, które tworzą architekturę JVM.

Zarządzanie pamięcią JVM

Efektywne zarządzanie pamięcią jest istotnym aspektem architektury JVM, który przyczynia się do wydajnego wykonywania aplikacji Java. JVM alokuje różne przestrzenie pamięci, zwane Runtime Data Areas, w celu obsługi różnych typów przechowywania danych i manipulacji nimi podczas wykonywania programu. Główne obszary pamięci w JVM obejmują:

1. Heap: Heap jest największym obszarem pamięci w JVM i jest współdzielony przez wszystkie wątki w aplikacji. Przechowuje instancjonowane obiekty i tablice utworzone podczas wykonywania programu. Heap jest dalej podzielony na obszary "Young Generation" i "Old Generation". Obszar Young Generation przechowuje nowo utworzone obiekty, podczas gdy obszar Old Generation zawiera obiekty, które przetrwały wiele cykli odśmiecania.
2. Stos: JVM tworzy oddzielny stos dla każdego wątku. Stosy przechowują informacje o wywołaniach metod, zmienne lokalne i pośrednie wyniki obliczeń podczas wykonywania programu. Każdy wpis na stosie nazywany jest ramką stosu, a JVM zarządza ramkami stosu niezależnie dla każdego wywołania metody.
3. Obszar metod: Obszar metod jest współdzielony przez wszystkie wątki w aplikacji i przechowuje dane klasy, takie jak nazwy metod, nazwy zmiennych i stałe wartości. Method Area zawiera również Constant Pool, który przechowuje stałe wartości i symboliczne odniesienia używane przez kod bajtowy.
4. Rejestry PC: Rejestr PC (Program Counter) to obszar pamięci, który zawiera adres aktualnie wykonywanej instrukcji JVM dla każdego wątku. Rejestr PC pomaga JVM śledzić, która instrukcja ma zostać wykonana jako następna.

Oprócz tych obszarów pamięci, JVM wykorzystuje również Garbage Collector, który automatycznie usuwa pamięć dla niepotrzebnych już obiektów, zmniejszając w ten sposób wycieki pamięci i optymalizując wykorzystanie zasobów.

Podsumowując, architektura JVM ma dobrze zdefiniowany system zarządzania pamięcią, który optymalizuje wykonywanie aplikacji Java i zapewnia efektywne wykorzystanie zasobów. Zrozumienie komponentów JVM i ich funkcji pozwala programistom tworzyć i optymalizować aplikacje Java w celu uzyskania najlepszej możliwej wydajności.

Classloader JVM

Classloader jest istotnym komponentem wirtualnej maszyny Java (JVM), który ładuje klasy Java do pamięci JVM. Jest on odpowiedzialny za trzy kluczowe czynności: ładowanie, łączenie i inicjalizację. Przeanalizujmy te działania szczegółowo.

Ładowanie

Ładowanie to proces pobierania plików klas z dysku i ładowania ich do pamięci JVM. Classloader lokalizuje wymagane pliki klas przy użyciu w pełni kwalifikowanej nazwy klasy, która zawiera nazwę pakietu i nazwę klasy. Istnieją trzy rodzaje Classloaderów w JVM:

1. Bootstrap Classloader: Jest to wbudowany Classloader JVM i ładuje podstawowe klasy Java, takie jak java.lang.Object i inne klasy runtime z pliku rt. jar.
2. Extension Classloader: Ten Classloader jest odpowiedzialny za ładowanie klas z katalogu ext JDK, który zawiera dodatkowe biblioteki Java i frameworki.
3. System/Application Classloader: Domyślny Classloader ładuje klasy ze ścieżki klas aplikacji. Ścieżkę klas można określić za pomocą opcji -cp lub -classpath podczas wykonywania aplikacji Java.

Try AppMaster no-code today!

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

Start Free

Classloader podąża za hierarchią delegacji, zaczynając od Bootstrap Classloader i przechodząc w dół do Extension i System/Application Classloaders.

Źródło obrazu: Java Tutorial Network

Łączenie

Proces łączenia ustanawia połączenia klas i sprawdza niespójności lub błędy. Łączenie składa się z trzech kroków:

1. Weryfikacja: Podczas tego kroku JVM zapewnia, że załadowane pliki klas są zgodne ze strukturą i ograniczeniami określonymi w specyfikacji języka Java. Wszelkie zniekształcone lub złośliwe pliki klas zostaną odrzucone na tym etapie.
2. Przygotowanie: JVM inicjalizuje statyczne pola, metody i inne zasoby potrzebne do wykonania klasy. Przypisuje wartości domyślne do pól statycznych i alokuje dla nich pamięć.
3. Rozdzielczość: Ten krok rozwiązuje symboliczne odniesienia w plikach klas, zastępując je bezpośrednimi odniesieniami, takimi jak adresy metod i przesunięcia pól. Proces ten jest wykonywany dynamicznie w czasie działania programu.

Inicjalizacja

Inicjalizacja jest ostatnim krokiem procesu Classloader. Podczas tej fazy JVM uruchamia wszelkie statyczne bloki kodu w klasie i przypisuje wartości początkowe określone w pliku klasy do pól statycznych. Zapewnia również, że inicjalizacja statyczna występuje tylko raz, nawet w środowiskach wielowątkowych.

Kompilator JIT i Garbage Collector

Kompilator Just-In-Time (JIT) i Garbage Collector to podstawowe komponenty JVM, które znacząco optymalizują wydajność aplikacji i zarządzają zasobami systemowymi.

Kompilator JIT

Kompilator Just-In-Time (JIT) jest odpowiedzialny za konwersję kodu bajtowego Java na natywny kod maszynowy w czasie wykonywania. Proces ten optymalizuje szybkość wykonywania aplikacji Java. Kompilator JIT kompiluje często wywoływane metody, buforuje skompilowany kod i ponownie wykorzystuje go w przyszłych wykonaniach, zmniejszając obciążenie związane z wielokrotną interpretacją kodu bajtowego.

JVM wykorzystuje metodę "wykrywania hotspotów" do identyfikacji często wywoływanych metod. Po osiągnięciu progu hotspot, kompilator JIT uruchamia się i kompiluje kod bajtowy do natywnego kodu maszynowego. Procesor wykonuje ten skompilowany kod bezpośrednio, co prowadzi do znacznie krótszych czasów wykonania.

Garbage Collector

Garbage Collector (GC) jest podstawowym komponentem JVM odpowiedzialnym za automatyzację zarządzania pamięcią. Usuwa on pamięć z obiektów, których aplikacja już nie potrzebuje lub do których się nie odwołuje. Proces ten minimalizuje wycieki pamięci i optymalizuje wykorzystanie zasobów w aplikacjach Java. JVM wykorzystuje generacyjną strategię odśmiecania, dzieląc pamięć sterty na generacje Young i Old. Młoda generacja jest dalej podzielona na Eden Space, Survivor Space 0 (S0) i Survivor Space 1 (S1).

Podstawową ideą stojącą za generacyjnym zbieraniem śmieci jest to, że większość obiektów ma krótki czas życia i prawdopodobnie zostaną one usunięte wkrótce po utworzeniu. W związku z tym częste przydzielanie i usuwanie pamięci w Young Generation optymalizuje proces odśmiecania. Garbage Collector czyści nieużywane obiekty w pamięci sterty przy użyciu różnych algorytmów, takich jak Mark-Sweep-Compact, Copying i Generational Collection.

Obszary danych środowiska uruchomieniowego JVM

Obszary danych środowiska uruchomieniowego JVM to przestrzenie pamięci przydzielone przez JVM do przechowywania danych podczas wykonywania programu. Te obszary danych są niezbędne do zarządzania zasobami i ułatwiania wydajnego wykonywania aplikacji Java. Główne obszary danych środowiska uruchomieniowego w JVM obejmują Heap, Stack, Method Area, Constant Pool i PC Registers.

Sterta

Heap to współdzielony obszar pamięci w JVM, który przechowuje obiekty i zmienne instancji. Jest to największy obszar pamięci i jest podzielony na generacje w celu wydajnego zbierania śmieci, jak wyjaśniono w sekcji Garbage Collector. Ponieważ obiekty w stercie mogą być dostępne globalnie, wymagane są mechanizmy synchronizacji wątków, aby uniknąć niespójności danych w aplikacjach wielowątkowych.

Stos

Stos to obszar pamięci, w którym przechowywane są zmienne lokalne i informacje o wywołaniach metod. Każdy wątek w JVM ma swój stos, a dane przechowywane na stosie są dostępne tylko w zakresie odpowiedniego wątku. W rezultacie synchronizacja wątków nie jest wymagana dla dostępu do pamięci stosu. Stos ułatwia przechowywanie i pobieranie danych metodą LIFO (Last-In-First-Out), dzięki czemu jest wydajny w zarządzaniu wykonywaniem wywołań metod.

Obszar metod

Obszar metod to współdzielona przestrzeń pamięci, która przechowuje metadane, informacje o stałej puli i statyczne pola dla każdej załadowanej klasy. Obszar ten ma kluczowe znaczenie dla zarządzania informacjami związanymi z klasą i dostarczania danych potrzebnych do dynamicznego łączenia i wykonywania kodu bajtowego.

Constant Pool

Constant Pool to struktura danych w Method Area, która przechowuje stałe, takie jak literały łańcuchowe, nazwy klas i nazwy metod, do których odwołuje się kod bajtowy Java. Działa jako scentralizowane repozytorium dla wszystkich stałych wartości i pomaga w rozwiązywaniu symbolicznych odniesień podczas procesu łączenia.

Rejestry PC

Rejestr licznika programu (PC) to obszar pamięci, który przechowuje adres aktualnie wykonywanej instrukcji kodu bajtowego Java dla każdego wątku. Rejestr PC pomaga zarządzać wykonywaniem wątków i utrzymywać sekwencję wykonywania instrukcji w maszynie JVM. Zawiera adres pamięci następnej instrukcji kodu bajtowego, która ma zostać wykonana, a jego wartość jest odpowiednio aktualizowana, gdy JVM przetwarza instrukcje kodu bajtowego Java.

Try AppMaster no-code today!

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

Start Free

Korzyści i ograniczenia architektury JVM

Architektura Java Virtual Machine (JVM) oferuje liczne zalety, dzięki czemu jest popularnym wyborem dla programistów. Żaden system nie jest jednak pozbawiony ograniczeń. Ta sekcja zawiera przegląd zalet i wad architektury JVM.

Zalety architektury JVM

1. Niezależność od platformy: Jedną z najważniejszych zalet JVM jest niezależność od platformy. Dzięki JVM aplikacje Java mogą działać na różnych platformach bez konieczności modyfikacji kodu. JVM tłumaczy kod bajtowy Java na natywny kod maszynowy specyficzny dla platformy bazowej, zapewniając płynne wykonywanie na różnych urządzeniach i systemach operacyjnych.
2. Skalowalność: JVM została zaprojektowana do wydajnej obsługi aplikacji na dużą skalę, dzięki możliwościom wielowątkowości i funkcjom zarządzania pamięcią. Cechy te pozwalają programistom tworzyć i utrzymywać aplikacje, które mogą obsługiwać wielu użytkowników bez uszczerbku dla wydajności.
3. Zarządzanie pamięcią: System zarządzania pamięcią JVM umożliwia optymalne wykorzystanie zasobów systemowych. Zarządza on pamięcią poprzez różne obszary pamięci (Heap, Stack, Method Area i PC Register) i zapewnia odśmiecanie, aby automatycznie odzyskiwać pamięć zajmowaną przez obiekty, które nie są już potrzebne, zmniejszając wycieki pamięci i poprawiając wydajność aplikacji.
4. Zoptymalizowane wykonywanie kodu bajtowego: JVM wykorzystuje kompilację Just-In-Time (JIT) do optymalizacji wykonywania kodu bajtowego Java. Kompilator JIT tłumaczy kod bajtowy na natywny kod maszynowy w czasie wykonywania, poprawiając ogólną szybkość wykonywania aplikacji Java poprzez kompilację często wywoływanych metod i buforowanie skompilowanego kodu do wykorzystania w przyszłości.
5. Garbage Collection: Zautomatyzowane odśmiecanie JVM efektywnie zarządza pamięcią poprzez usuwanie przestrzeni pamięci zajmowanych przez nieużywane obiekty. Garbage collection zwiększa wydajność aplikacji Java i upraszcza zadania związane z zarządzaniem pamięcią dla programistów.

Ograniczenia architektury JVM

1. Nadwyżka wydajności: JVM wprowadza pewien narzut wydajnościowy związany z procesami interpretacji i kompilacji. Interpretacja kodu bajtowego i przekształcanie go w natywny kod maszynowy w czasie wykonywania może prowadzić do wolniejszego wykonywania niż w przypadku aplikacji napisanych w językach, które kompilują się bezpośrednio do kodu maszynowego.
2. Zużycie pamięci: Różne komponenty JVM, takie jak program ładujący klasy, silnik wykonawczy i obszary danych środowiska uruchomieniowego, zużywają pamięć systemową. To zwiększone zużycie pamięci może mieć wpływ na aplikacje działające na urządzeniach o ograniczonych zasobach, powodując zmniejszenie wydajności.
3. Czkawka związana z odśmiecaniem: Funkcja odśmiecania JVM oferuje liczne korzyści, ale może również powodować czkawkę wydajności, jeśli nie jest prawidłowo zoptymalizowana. Na przykład, garbage collector może wstrzymać wykonywanie aplikacji, aby wykonać pełny cykl odśmiecania, określany jako "stop-the-world". Przerwy te mogą znacząco wpływać na wydajność aplikacji, zwłaszcza w scenariuszach o wysokiej przepustowości.

JVM i AppMaster.io: Usprawnienie rozwoju No-code

AppMaster. io to potężna platforma zaprojektowana do szybkiego tworzenia aplikacji backendowych, internetowych i mobilnych. Platforma umożliwia użytkownikom wizualne tworzenie modeli danych, logiki biznesowej i interfejsów użytkownika za pomocą intuicyjnego interfejsu " przeciągnij i upuść ".

Obsługuje generowanie, kompilację i wdrażanie aplikacji, regenerując je od podstaw za każdym razem, gdy zmieniają się wymagania, eliminując w ten sposób dług techniczny. Dzięki swoim szerokim możliwościom, AppMaster.io może również korzystać z architektury JVM na kilka sposobów:

• Narzędzia i biblioteki oparte na Javie: Rozbudowany ekosystem narzędzi i bibliotek JVM opartych na Javie może być wdrażany w aplikacjach zbudowanych przy użyciu AppMaster.io. Integracja bibliotek Java może znacznie zwiększyć możliwości aplikacji i zaoszczędzić czas programowania, zapewniając rozwiązania dla typowych zadań programistycznych.
• Skalowalność: Funkcje skalowalności JVM, takie jak wielowątkowość i zarządzanie pamięcią, można wykorzystać do tworzenia aplikacji, które skutecznie skalują się wraz ze wzrostem bazy użytkowników. AppMaster.io może pomóc w tworzeniu wysoce skalowalnych aplikacji w różnych systemach operacyjnych i urządzeniach poprzez włączenie funkcji JVM.
• Zoptymalizowana wydajność: Funkcje optymalizacyjne JVM, takie jak kompilacja Just-In-Time (JIT) i automatyczne odśmiecanie, mogą dodatkowo zwiększyć wydajność aplikacji generowanych przez AppMaster.io. Optymalizacje te pomagają zmaksymalizować wykorzystanie zasobów aplikacji, pozwalając aplikacjom stworzonym przez AppMaster.io działać szybciej i wydajniej.
• Zarządzanie pamięcią: AppMaster.io może korzystać z możliwości zarządzania pamięcią JVM, aby efektywnie wykorzystywać zasoby systemowe, zmniejszając wycieki pamięci i poprawiając wydajność aplikacji.

Podsumowując, dzięki różnym funkcjom i zaletom, architektura JVM może zwiększyć wydajność i możliwości aplikacji zbudowanych przy użyciu AppMaster.io. Wykorzystując rozległy ekosystem i funkcje optymalizacyjne JVM, AppMaster.io może zapewnić użytkownikom jeszcze potężniejsze i wydajniejsze narzędzia programistyczne no-code.