Máy ảo Java (JVM) là một thành phần quan trọng của môi trường thời gian chạy Java , chịu trách nhiệm thực thi các chương trình mã byte Java. Nó cung cấp một môi trường phần mềm nhất quán độc lập với nền tảng cho phép các ứng dụng Java chạy trơn tru trên các kiến trúc phần cứng và hệ điều hành khác nhau, đây là một lợi thế chính của JVM.
Các ứng dụng Java thường được viết bằng ngôn ngữ lập trình Java, được biên dịch thành định dạng mã byte (tệp *.class), sau đó được tải và thực thi bởi JVM. JVM dịch bytecode thành mã máy gốc dành riêng cho hệ điều hành và phần cứng bên dưới, điều này cho phép các ứng dụng Java chạy trên nhiều nền tảng mà không cần sửa đổi. Quá trình này thường được gọi là nguyên tắc "Viết một lần, chạy mọi nơi".
Hơn nữa, JVM đảm nhận việc quản lý bộ nhớ, thu gom rác và tối ưu hóa thời gian chạy, làm cho nó trở thành một thành phần thiết yếu để thực thi hiệu quả các chương trình Java.
Các thành phần JVM và chức năng của chúng
Kiến trúc JVM bao gồm một số thành phần hoạt động cùng nhau để quản lý vòng đời của các ứng dụng Java. Các thành phần này bao gồm:
- Trình tải lớp: Trình tải lớp chịu trách nhiệm tải các lớp Java từ đĩa vào bộ nhớ JVM, giải quyết các phụ thuộc lớp và khởi tạo các lớp trong khi chương trình đang chạy. Trình tải lớp tuân theo một hệ thống phân cấp ủy quyền, bắt đầu với Trình tải lớp Bootstrap, tiếp theo là Trình tải lớp mở rộng và Trình tải lớp ứng dụng.
- Vùng dữ liệu thời gian chạy: JVM phân bổ không gian bộ nhớ được gọi là Vùng dữ liệu thời gian chạy trong quá trình thực thi chương trình. Các không gian bộ nhớ này bao gồm Heap, Stack, Method Area, Constant Pool và PC Registers, lưu trữ dữ liệu cần thiết cho các khía cạnh khác nhau trong vòng đời của ứng dụng.
- Công cụ thực thi: Công cụ thực thi là thành phần cốt lõi chịu trách nhiệm thực thi mã byte Java. Công cụ thực thi diễn giải mã byte và chuyển đổi nó thành mã máy gốc trong thời gian chạy. Nó bao gồm các thành phần như Trình thông dịch, Trình biên dịch đúng lúc (JIT) và Trình thu gom rác.
Trong các phần tiếp theo, chúng ta sẽ đi sâu hơn vào các chi tiết của quản lý bộ nhớ JVM và các không gian bộ nhớ khác nhau cấu thành nên kiến trúc JVM.
Quản lý bộ nhớ JVM
Quản lý bộ nhớ hiệu quả là một khía cạnh thiết yếu của kiến trúc JVM góp phần thực thi hiệu quả các ứng dụng Java. JVM phân bổ các không gian bộ nhớ khác nhau, được gọi là Vùng dữ liệu thời gian chạy, để xử lý các loại lưu trữ và thao tác dữ liệu khác nhau trong quá trình thực thi chương trình. Các vùng bộ nhớ chính trong JVM bao gồm:
- Heap: Heap là vùng bộ nhớ lớn nhất trong JVM và được chia sẻ giữa tất cả các luồng trong ứng dụng. Nó lưu trữ các đối tượng và mảng khởi tạo được tạo trong quá trình thực thi chương trình. The Heap được chia thành các khu vực 'Thế hệ trẻ' và 'Thế hệ cũ'. Khu vực Thế hệ trẻ lưu trữ các đối tượng mới được tạo, trong khi khu vực Thế hệ cũ chứa các đối tượng đã tồn tại qua nhiều chu kỳ thu gom rác.
- Ngăn xếp: JVM tạo một ngăn xếp riêng cho mỗi luồng. Ngăn xếp lưu trữ thông tin gọi phương thức, biến cục bộ và kết quả tính toán trung gian trong quá trình thực thi chương trình. Mỗi mục trong một ngăn xếp được gọi là Khung ngăn xếp và JVM quản lý các Khung ngăn xếp một cách độc lập cho mỗi lệnh gọi phương thức.
- Vùng phương thức: Vùng phương thức được chia sẻ giữa tất cả các luồng trong ứng dụng và lưu trữ dữ liệu lớp, chẳng hạn như tên phương thức, tên biến và giá trị hằng số. Vùng Phương thức cũng chứa Nhóm Hằng, chứa các giá trị không đổi và các tham chiếu tượng trưng được sử dụng bởi mã byte.
- Thanh ghi PC: Thanh ghi PC (Bộ đếm chương trình) là vùng bộ nhớ chứa địa chỉ của lệnh JVM hiện đang thực thi cho mỗi luồng. Thanh ghi PC giúp JVM theo dõi lệnh nào sẽ thực hiện tiếp theo.
Ngoài những vùng bộ nhớ này, JVM còn sử dụng Garbage Collector, tự động giải phóng bộ nhớ cho các đối tượng không còn cần thiết, do đó giảm rò rỉ bộ nhớ và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên.
Tóm lại, kiến trúc JVM có một hệ thống quản lý bộ nhớ được xác định rõ ràng để tối ưu hóa việc thực thi các ứng dụng Java và đảm bảo sử dụng tài nguyên hiệu quả. Hiểu các thành phần của JVM và các chức năng của chúng cho phép các nhà phát triển tạo và tối ưu hóa các ứng dụng Java để có hiệu suất tốt nhất có thể.
Trình nạp lớp JVM
Trình tải lớp là một thành phần quan trọng của Máy ảo Java (JVM) tải các lớp Java vào bộ nhớ JVM. Nó chịu trách nhiệm cho ba hoạt động quan trọng: tải, liên kết và khởi tạo. Hãy khám phá những hoạt động này một cách chi tiết.
Đang tải
Đang tải là quá trình tìm nạp các tệp lớp từ đĩa và tải chúng vào bộ nhớ JVM. Trình tải lớp định vị các tệp lớp được yêu cầu bằng cách sử dụng tên lớp đủ điều kiện, bao gồm tên gói và tên lớp. Có ba loại Trình nạp lớp trong JVM:
- Bootstrap Classloader: Đây là Classloader tích hợp sẵn của JVM và tải các lớp Java cốt lõi, chẳng hạn như
java.lang.Objectvà các lớp thời gian chạy khác từ tệprt.jar. - Trình tải lớp mở rộng: Trình tải lớp này chịu trách nhiệm tải các lớp từ thư mục
extcủa JDK, chứa các thư viện và khung công tác Java bổ sung. - Trình tải lớp hệ thống/ứng dụng: Trình nạp lớp mặc định tải các lớp từ đường dẫn lớp của ứng dụng. Đường dẫn lớp có thể được chỉ định bằng các tùy chọn
-cphoặc-classpathkhi thực thi một ứng dụng Java.
Trình tải lớp tuân theo hệ thống phân cấp ủy quyền, bắt đầu với Trình tải lớp Bootstrap và di chuyển xuống Trình tải lớp mở rộng và Hệ thống/Ứng dụng.
Nguồn hình ảnh: Mạng hướng dẫn Java
liên kết
Quá trình liên kết thiết lập các kết nối lớp và kiểm tra sự không nhất quán hoặc lỗi. Liên kết bao gồm ba bước:
- Xác minh: Trong bước này, JVM đảm bảo rằng các tệp lớp được tải tuân thủ cấu trúc và các ràng buộc được chỉ định trong Đặc tả ngôn ngữ Java. Mọi tệp lớp không đúng định dạng hoặc độc hại sẽ bị từ chối ở giai đoạn này.
- Chuẩn bị: JVM khởi tạo các trường tĩnh, phương thức và các tài nguyên khác cần thiết để thực thi lớp. Nó gán các giá trị mặc định cho các trường tĩnh và cấp phát bộ nhớ cho chúng.
- Giải pháp: Bước này giải quyết các tham chiếu tượng trưng trong các tệp lớp bằng cách thay thế chúng bằng các tham chiếu trực tiếp, chẳng hạn như địa chỉ phương thức và độ lệch trường. Quá trình này được thực hiện linh hoạt trong thời gian chạy.
khởi tạo
Khởi tạo là bước cuối cùng của quy trình Trình nạp lớp. Trong giai đoạn này, JVM chạy bất kỳ khối mã tĩnh nào trong lớp và gán các giá trị ban đầu được chỉ định trong tệp lớp cho các trường tĩnh. Nó cũng đảm bảo rằng quá trình khởi tạo tĩnh chỉ xảy ra một lần, ngay cả trong môi trường đa luồng.
Trình biên dịch JIT và Trình thu gom rác
Trình biên dịch Just-In-Time (JIT) và Trình thu gom rác là các thành phần JVM thiết yếu giúp tối ưu hóa đáng kể hiệu suất ứng dụng và quản lý tài nguyên hệ thống.
Trình biên dịch JIT
Trình biên dịch Just-In-Time (JIT) chịu trách nhiệm chuyển đổi mã byte Java thành mã máy gốc khi chạy. Quá trình này tối ưu hóa tốc độ thực thi của các ứng dụng Java. Trình biên dịch JIT biên dịch các phương thức được gọi thường xuyên, lưu mã đã biên dịch vào bộ đệm và sử dụng lại nó trong các lần thực thi trong tương lai, giảm chi phí diễn giải mã byte nhiều lần.
JVM sử dụng phương pháp "phát hiện điểm nóng" để xác định các phương thức được gọi thường xuyên. Khi đạt đến ngưỡng điểm phát sóng, Trình biên dịch JIT sẽ khởi động và biên dịch mã byte thành mã máy gốc. CPU thực thi mã được biên dịch này một cách trực tiếp, dẫn đến thời gian thực thi nhanh hơn đáng kể.
người thu gom rác
Garbage Collector (GC) là một thành phần JVM thiết yếu chịu trách nhiệm tự động hóa việc quản lý bộ nhớ. Nó giải phóng bộ nhớ khỏi các đối tượng mà ứng dụng không còn cần hoặc tham chiếu nữa. Quá trình này giảm thiểu rò rỉ bộ nhớ và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên trong các ứng dụng Java. JVM sử dụng chiến lược thu gom rác theo thế hệ, chia bộ nhớ heap thành thế hệ Trẻ và Già. Thế hệ Trẻ được chia nhỏ thành Không gian Eden, Không gian Người sống sót 0 (S0) và Không gian Người sống sót 1 (S1).
Ý tưởng cơ bản đằng sau bộ sưu tập rác thế hệ là hầu hết các đối tượng có tuổi thọ ngắn và có khả năng được thu gom rác ngay sau khi tạo. Do đó, thường xuyên cấp phát và giải phóng bộ nhớ trong Thế hệ trẻ sẽ tối ưu hóa quy trình thu gom rác. Garbage Collector dọn sạch các đối tượng không sử dụng trong bộ nhớ heap bằng các thuật toán khác nhau như Mark-Sweep-Compact, Copying và Generational Collection.
Vùng dữ liệu thời gian chạy JVM
Vùng dữ liệu thời gian chạy JVM là không gian bộ nhớ được phân bổ bởi JVM để lưu trữ dữ liệu trong quá trình thực thi chương trình. Các vùng dữ liệu này rất cần thiết để quản lý tài nguyên và tạo điều kiện cho việc thực thi hiệu quả các ứng dụng Java. Các vùng dữ liệu thời gian chạy chính trong JVM bao gồm Heap, Stack, Method Area, Constant Pool và PC Registers.
đống
Heap là vùng bộ nhớ dùng chung trong JVM lưu trữ các đối tượng và biến đối tượng. Đây là vùng bộ nhớ lớn nhất và được chia thành các thế hệ để thu gom rác hiệu quả, như đã giải thích trong phần Trình thu gom rác. Vì các đối tượng trong heap có thể được truy cập trên toàn cầu, nên cần có cơ chế đồng bộ hóa luồng để tránh các vấn đề về dữ liệu không nhất quán trong các ứng dụng đa luồng.
Cây rơm
Stack là vùng bộ nhớ lưu trữ các biến cục bộ và thông tin gọi phương thức. Mỗi luồng trong JVM có ngăn xếp của nó và dữ liệu được lưu trữ trong ngăn xếp chỉ có thể truy cập được trong phạm vi của luồng tương ứng. Do đó, không cần đồng bộ hóa luồng để truy cập bộ nhớ ngăn xếp. Ngăn xếp tạo điều kiện thuận lợi cho phương thức Last-In-First-Out (LIFO) để lưu trữ và truy xuất dữ liệu, giúp quản lý hiệu quả việc thực hiện lệnh gọi phương thức.
khu vực phương pháp
Vùng Phương thức là một không gian bộ nhớ dùng chung lưu trữ siêu dữ liệu, thông tin nhóm không đổi và các trường tĩnh cho mỗi lớp được tải. Khu vực này rất quan trọng để quản lý thông tin liên quan đến lớp và cung cấp dữ liệu cần thiết cho liên kết động và thực thi mã byte.
hồ bơi không đổi
Nhóm hằng số là một cấu trúc dữ liệu trong Vùng phương thức lưu trữ các hằng số, chẳng hạn như chuỗi ký tự, tên lớp và tên phương thức được tham chiếu bởi mã byte Java. Nó hoạt động như một kho lưu trữ tập trung cho tất cả các giá trị không đổi và giúp giải quyết các tham chiếu tượng trưng trong quá trình liên kết.
Thanh ghi máy tính
Thanh ghi bộ đếm chương trình (PC) là một vùng bộ nhớ lưu trữ địa chỉ của lệnh mã byte Java hiện đang thực thi cho mỗi luồng. Thanh ghi PC giúp quản lý việc thực thi luồng và duy trì trình tự thực hiện lệnh trong JVM. Nó chứa địa chỉ bộ nhớ của lệnh mã byte tiếp theo sẽ được thực thi và giá trị của nó được cập nhật tương ứng khi JVM xử lý lệnh mã byte Java.
Lợi ích và Hạn chế của Kiến trúc JVM
Kiến trúc Máy ảo Java (JVM) mang lại nhiều lợi thế, khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến cho các nhà phát triển. Tuy nhiên, không có hệ thống nào không có hạn chế. Phần này cung cấp một cái nhìn tổng quan về những lợi ích và hạn chế của kiến trúc JVM.
Lợi ích của kiến trúc JVM
- Tính độc lập của nền tảng: Một trong những lợi thế quan trọng nhất của JVM là tính độc lập của nền tảng. Nhờ có JVM, các ứng dụng Java có thể chạy trên nhiều nền tảng khác nhau mà không yêu cầu bất kỳ sửa đổi mã nào. JVM dịch mã byte Java thành mã máy gốc dành riêng cho nền tảng bên dưới, đảm bảo thực thi liền mạch trên các hệ điều hành và phần cứng khác nhau.
- Khả năng mở rộng: JVM được thiết kế để xử lý các ứng dụng quy mô lớn một cách hiệu quả nhờ khả năng đa luồng và các tính năng quản lý bộ nhớ. Những đặc điểm này cho phép các nhà phát triển xây dựng và duy trì các ứng dụng có thể phục vụ nhiều người dùng mà không ảnh hưởng đến hiệu suất.
- Quản lý bộ nhớ: Hệ thống quản lý bộ nhớ của JVM cho phép sử dụng tối ưu tài nguyên hệ thống. Nó quản lý bộ nhớ thông qua các vùng bộ nhớ khác nhau (Heap, Stack, Method Area và PC Register) và cung cấp bộ sưu tập rác để tự động lấy lại bộ nhớ bị chiếm bởi các đối tượng không còn cần thiết, giảm rò rỉ bộ nhớ và cải thiện hiệu suất ứng dụng.
- Thực thi mã byte được tối ưu hóa: JVM sử dụng trình biên dịch Just-In-Time (JIT) để tối ưu hóa việc thực thi mã byte Java. Trình biên dịch JIT dịch mã byte thành mã máy gốc trong thời gian chạy, cải thiện tốc độ thực thi tổng thể của các ứng dụng Java bằng cách biên dịch các phương thức thường được gọi và lưu mã đã biên dịch vào bộ đệm để sử dụng trong tương lai.
- Bộ sưu tập rác: Bộ sưu tập rác tự động của JVM quản lý hiệu quả bộ nhớ bằng cách giải phóng không gian bộ nhớ bị chiếm bởi các đối tượng không sử dụng. Bộ sưu tập rác nâng cao hiệu suất ứng dụng Java và đơn giản hóa các tác vụ quản lý bộ nhớ cho các nhà phát triển.
Hạn chế của kiến trúc JVM
- Chi phí hoạt động: JVM giới thiệu một số chi phí hoạt động do quá trình diễn giải và biên dịch. Diễn giải mã byte và chuyển đổi nó thành mã máy gốc trong thời gian chạy có thể dẫn đến việc thực thi chậm hơn so với các ứng dụng được viết bằng ngôn ngữ biên dịch trực tiếp thành mã máy.
- Sử dụng bộ nhớ: Các thành phần khác nhau của JVM, chẳng hạn như trình nạp lớp, công cụ thực thi và vùng dữ liệu thời gian chạy, tiêu thụ bộ nhớ hệ thống. Mức sử dụng bộ nhớ tăng lên này có thể ảnh hưởng đến các ứng dụng chạy trên thiết bị hạn chế tài nguyên, dẫn đến hiệu suất giảm.
- Trục trặc do thu gom rác: Tính năng thu gom rác của JVM mang lại nhiều lợi ích nhưng cũng có thể gây ra trục trặc về hiệu suất nếu không được tối ưu hóa đúng cách. Chẳng hạn, trình thu gom rác có thể tạm dừng thực thi ứng dụng để thực hiện một chu kỳ thu gom rác đầy đủ, được gọi là tạm dừng "dừng thế giới". Những lần tạm dừng này có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của ứng dụng, đặc biệt là trong các tình huống có thông lượng cao.
JVM và AppMaster.io : Tăng cường phát triển No-code
AppMaster.io là một nền tảng không có mã mạnh mẽ được thiết kế để tạo các ứng dụng phụ trợ, web và di động một cách nhanh chóng. Nền tảng này cho phép người dùng tạo các mô hình dữ liệu , logic nghiệp vụ và giao diện người dùng một cách trực quan bằng cách sử dụng giao diện kéo và thả trực quan.
Nó xử lý việc tạo, biên dịch và triển khai ứng dụng bằng cách tạo lại ứng dụng từ đầu bất cứ khi nào yêu cầu thay đổi, do đó loại bỏ nợ kỹ thuật. Với khả năng mở rộng của mình, AppMaster.io cũng có thể hưởng lợi từ kiến trúc JVM theo một số cách:
- Các công cụ và thư viện dựa trên Java: Hệ sinh thái mở rộng của các công cụ và thư viện dựa trên Java của JVM có thể được triển khai trong các ứng dụng được xây dựng bằng AppMaster.io . Việc tích hợp các thư viện Java có thể nâng cao đáng kể khả năng của ứng dụng và tiết kiệm thời gian phát triển bằng cách cung cấp các giải pháp cho các nhiệm vụ phát triển chung.
- Khả năng mở rộng: Các tính năng khả năng mở rộng của JVM, chẳng hạn như đa luồng và quản lý bộ nhớ, có thể được tận dụng để tạo các ứng dụng có khả năng mở rộng hiệu quả khi cơ sở người dùng tăng lên. AppMaster.io có thể giúp xây dựng các ứng dụng có khả năng mở rộng cao trên các hệ điều hành và thiết bị khác nhau bằng cách kết hợp các tính năng của JVM.
- Hiệu suất được tối ưu hóa: Các tính năng tối ưu hóa của JVM, chẳng hạn như biên dịch Just-In-Time (JIT) và thu gom rác tự động, có thể nâng cao hơn nữa hiệu suất của các ứng dụng do AppMaster.io tạo ra. Những tối ưu hóa này giúp tối đa hóa việc sử dụng tài nguyên ứng dụng, cho phép các ứng dụng do AppMaster.io xây dựng chạy nhanh hơn và hiệu quả hơn.
- Quản lý bộ nhớ: AppMaster.io có thể hưởng lợi từ khả năng quản lý bộ nhớ của JVM để sử dụng hiệu quả tài nguyên hệ thống, giảm rò rỉ bộ nhớ và cải thiện hiệu suất ứng dụng.
Tóm lại, với nhiều tính năng và lợi ích khác nhau, kiến trúc của JVM có thể nâng cao hiệu suất và khả năng của các ứng dụng được xây dựng bằng AppMaster.io . Bằng cách tận dụng các tính năng tối ưu hóa và hệ sinh thái mở rộng của JVM, AppMaster.io có thể cung cấp cho người dùng các công cụ phát triển no-code hiệu quả và mạnh mẽ hơn nữa.
