JVM とは何ですか?動作メカニズムと基本原理についての簡単な説明

[[326862]]

JVMの基本概念

JVM の中国語名は Java Virtual Machine であり、ソフトウェア技術によってシミュレートされた仮想コンピュータです。

JVM は翻訳者としても機能します。私たちが作成した Java プログラムは、オペレーティングシステムによって直接認識されることはありません。このとき、JVM の役割が反映されます。プログラムをシステムに変換し、プログラムが実行する必要がある操作をシステムに伝える役割を担います。

Java プログラムは、JVM が認識して実行する前に、コンパイルして .Class ファイルを生成する必要があることは誰もが知っています。 JVM は各オペレーティングシステムに対応するインタープリターを開発するため、オペレーティングシステムに JVM の対応するバージョンがあれば、コンパイルされた Java コードを実行できます。これが、Java が一度コンパイルされればどこでも実行できる理由です。

JVM ライフサイクル

JVM は、Java プログラムの実行が開始されると実行され、プログラムが終了すると停止します。

Java プログラムは JVM プロセスを開始します。マシン上で 3 つのプログラムが実行されている場合、実行される JVM プロセスは 3 つになります。

JVMにはデーモンスレッドと通常のスレッドの2種類のスレッドがあります。

デーモンスレッドは、ガベージコレクション (GC) など、JVM 自体によって使用されるスレッドです。

通常スレッドは、一般的に Java プログラムのスレッドです。 JVM 内で通常のスレッドが実行されている限り、JVM は停止しません。

十分な権限がある場合は、exit() メソッドを呼び出してプログラムを終了できます。

JVM構造システム

JVM 起動プロセス

1. JVMの読み込み環境と構成

これを学ぶ前に、JDK と JRE の違いについて理解しておく必要があります。

JDK は開発者向けの SDK です。 Java 開発環境とランタイム環境を提供します。 JDK には JRE が含まれています。

JRE は Java ランタイム環境であり、開発者を含むすべての Java プログラムユーザーを対象としています。

JRE = ランタイム環境 = JVM。

JDK がインストールされている場合、コンピューターに 2 つの JRE が存在します。1 つは /Java/jre.../ にあり、もう 1 つは /Java/jdk.../jre にあります。そこで疑問になるのが、マシン上に 2 つ以上の JRE がある場合、どれを実行するかを誰が決めるのかということです。このタスクは java.exe が担当し、java.exe のタスクは Java プログラムを実行するための適切な JRE を見つけることです。

java.exe は次の順序で JRE を選択します。

ディレクトリに JRE はありますか?
親ディレクトリに JRE はありますか?
レジストリを照会します: HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\JavaSoft\Java Runtime Environment"現在の JRE バージョン番号"\JavaHome

これらの手順の主な中核は、JVM の絶対パスを見つけることです。

jvm.cfg のパスは次のとおりです: JRE パス\lib"CPU アーキテクチャ"\jvm.fig

jvm.cfg の内容は次のとおりです。

-クライアントは認識済み
-サーバーは認識済み
-ホットスポットエイリアス化先 -クライアント
-クラシック警告
-ネイティブエラー
-緑エラー

KNOWNは存在する、IGNOREは存在しない、ALIASED_TOは別のJVMに別名を付与することを意味する。

WARNは存在しない場合に代替品を探すことを意味し、ERRORは存在しない場合に例外をスローすることを意味します。

2. JVMをロードする

最初のステップで JVM のパスを見つけた後、Java.exe は LoadJavaVM を通じて JVM ファイルをロードします。

LoadLibrary は、JVM ダイナミックリンクライブラリをロードし、JVM 内の外部関数 JNI_CreateJavaVM および JNI_GetDefaultJavaVMIntArgs を InvocationFunction 変数の CreateJavaVM および GetDefaultJavaVMInitArgs 関数ポインター変数にフックします。 JVMのロードが完了しました。

3. JVMを初期化し、ローカル呼び出しインターフェースを取得する

JVM の JNI_CreateJavaVM メソッドである InvocationFunction -> CreateJavaVM を呼び出して、JNIEnv 構造体のインスタンスを取得します。

4. Javaプログラムを実行する

JVMがJavaプログラムを実行するには、jarパッケージとクラスの2つの方法があります。

jar を実行すると、Java.exe は GetMainClassName 関数を呼び出します。この関数は、最初に JNIEnv インスタンスを取得し、次に JarFileJNIEnv クラスの getManifest() を呼び出し、返された Manifest オブジェクトから getAttrebutes("Main-Class") の値を取得します。つまり、jar パッケージ内のファイル META-INF/MANIFEST.MF で実行されるメインクラスとして指定されている Main-Class のメインクラス名を取得します。次に、メイン関数は Java.c の LoadClass メソッドを呼び出してメインクラスをロードします (JNIEnv インスタンスの FindClass を使用)。

クラスを実行すると、メイン関数は Java.c の LoadClass メソッドを直接呼び出してクラスをロードします。

クラスファイル

クラスファイルは Java コンパイラによって生成されます。作成した .Java ファイルは、コンパイラを通過すると .Class ファイルになり、JVM によって認識され、実行されるようになります。

クラスローディングサブシステム

クラスローディングサブシステムは、クラスローダーとも呼ばれます。 JVM はデフォルトで 3 つのクラスローダーを提供します。

1. BootStrap ClassLoader: ブートクラスローダーと呼ばれます。これはトップレベルのクラスローダーであり、rt.jar、resources.jar、charsets.jar などの JDK のコアクラスライブラリをロードする役割を担います。

2. 拡張クラスローダー: 拡張クラスローダーと呼ばれ、Java 拡張クラスライブラリのロードを担当します。デフォルトでは、$JAVA_HOME または -Djava.ext.dirs で指定されたディレクトリの jre/lib/*.jar にある jar パッケージがロードされます。

3. App ClassLoader: これはシステムクラスローダーと呼ばれ、アプリケーションのクラスパスディレクトリ内のすべての jar ファイルとクラスファイルをロードする役割を担います。

Java がデフォルトで提供する 3 つの ClassLoader (ローダー) に加えて、独自のニーズに応じて ClassLoader をカスタマイズすることもできます。カスタム ClassLoader は java.lang.ClassLoader クラスを継承する必要があります。 BootStrap ClassLoader に加えて、他の 2 つのデフォルトローダーは java.lang.ClassLoader から継承されます。 BootStrap ClassLoader は通常の Java クラスではありません。これは C++ で記述され、JVM のカーネルに組み込まれています。 JVM が起動すると、BootStrap ClassLoader も起動されます。コアクラスライブラリをロードし、Extension ClassLoader および App ClassLoader クラスローダーを構築する役割を担います。

クラスローダーサブシステムは、クラスファイルの検索と読み込みを担当するだけでなく、次の手順に厳密に従って多くの処理を実行します。

読み込み: クラスファイルのバイナリ情報を検索してインポートする 2. 接続: 検証、準備、解析
検証: インポートされた型の正確性を確認する
準備: 型にメモリを割り当て、デフォルト値に初期化する
解析: 文字参照を直接参照として解析する
初期化: Javaコードを呼び出して、クラス変数を指定された初期値に初期化します。

方法領域

JVM では、型情報とクラスの静的変数はメソッド領域に格納されます。型情報は、クラスのロードプロセス中にクラスローダーによってクラスファイルから抽出されます。

注意すべき点は、定数プールもメソッド領域に格納されることです。

プログラム内のすべてのスレッドはメソッド領域を共有するため、メソッド領域内の情報へのアクセスはスレッドセーフである必要があります。 2 つのスレッドが同時にクラスをロードしようとすると、1 つのスレッドのみがクラスをロードでき、もう 1 つのスレッドは待機する必要があります。

プログラム実行中にメソッド領域のサイズを変更したり、プログラム実行中にプログラムを拡張したりすることができます。

メソッド領域もガベージコレクションの対象となりますが、条件は非常に厳格です。クラスへの参照がない場合に必要です。

タイプ情報には何が含まれますか?

1. 型の完全修飾名

2. 型の直接のスーパークラスの完全修飾名（スーパータイプがない場合、またはスーパータイプが java.lang.Object の場合を除く）

3. 型がクラスであるかどうか

4. 型の修飾子 (public、private、protected、static、final、volatile、transient など)

5. 直接スーパーインターフェースの完全修飾名の順序付きリスト

6. タイプのフィールド情報

7. タイプのメソッド情報

8. 型内で宣言されたすべてのクラス（静的）変数（定数を除く）

9. クラスClassLoaderへの参照

10. クラスへの参照 Class

11. 型の定数プール

メソッドテーブル

メソッド領域に格納されているすべてのデータに効率よくアクセスするために、上記の種類の情報を格納することに加えて、アクセスを高速化するように設計されたデータ構造、つまりメソッドリストも存在します。ロードされる非抽象クラスごとに、Java 仮想マシンはそれらのメソッドリストを生成します。このリストには、このクラスによって呼び出される可能性のあるすべてのインスタンスメソッドへの参照と、親クラスで呼び出されるメソッドが格納されます。

Java ヒープ (JVM ヒープ、ヒープ)

Java がクラスのインスタンスオブジェクトまたは配列を作成すると、ヒープ内の新しいオブジェクトにメモリが割り当てられます。

仮想マシンにはヒープが 1 つだけ存在し、プログラム内のすべてのスレッドがそれを共有します。

ヒープは最も多くのメモリ空間を占有します。

ヒープのアクセスタイプはパイプラインタイプ、先入先出です。

プログラムの実行中に、ヒープのメモリサイズを動的に割り当てることができます。

ヒープのメモリリソースの回復は JVM GC によって管理されます。

Java スタック (JVM スタック、スタック)

基本データ型とカスタムオブジェクトへの参照のみが Java スタックに保存されます。これはオブジェクトへの参照のみであり、オブジェクト自体ではないことに注意してください。オブジェクトはヒープ領域に保存されます。

拡張知識: String、Integer、Byte、Short、Long、Character、および Boolean は、ヒープ内に格納されるパッケージタイプです。

スタックのアクセスタイプは、水カップのアクセスタイプ、つまり先入れ後出しに似ています。

スタック内のデータは、そのスコープを超えると自動的に解放され、JVM GC によって管理されません。