1.3.2　JVM的体系结构

Java虚拟机这个名称听起来很高端，其实它不过是一套程序包而已，这些程序构成了系统平台里面的Java运行环境。在Java编程领域，人们更习惯将Java虚拟机称作JVM，免得产生误解。

JVM主要分为5大模块，包括类加载器、运行时数据区、执行引擎、本地方法接口和垃圾收集模块，简要说明如下：

1．类加载器

顾名思义，类加载器用于加载Java的类文件（class文件），也就是把一个或若干个class文件读到内存中，并为其指定唯一标识，以便外部访问class文件内部的数据与接口。

2．运行时数据区

数据区存放着Java程序在运行时需要的各种数据空间，包含栈区、堆区、PC寄存器、本地方法栈、方法区5类数据，分别说明如下。

• 栈区：存放当前正在执行的方法所需的各项数据，包括基本类型变量、对象的引用、方法的返回地址等。每个线程都拥有自己的栈区，且栈内数据不可被其他线程访问。
• 堆区：存放程序用到的所有对象信息，堆区里的数据可被程序的所有线程共享。
• PC寄存器（程序计数寄存器）：注意此PC指的是Program Counter（程序计数器），而非Personal Computer（个人计算机）。JVM支持多线程运行，每个线程都拥有自己的PC寄存器，寄存器中保存着当前正在执行的指令地址。
• 本地方法栈：这是一个特殊的栈区，用于同本地方法接口之间的数据交互。
• 方法区：主要存放已经被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等　　数据。

其中，栈区、堆区、方法区存放的数据是有关联的。每段Java代码定义了各自的类，这些类信息就保存在方法区；一个类可以创建多个对象，这些对象信息就保存在堆区；每个对象又会被多次用到，每次使用的时候，该对象的引用就保存在栈区。但不同版本的JDK对字符串常量的处理方式并不一样，在JDK 1.7之前，字符串常量保存在方法区，而在JDK 1.7之后，字符串常量改为保存到堆区了。

3．执行引擎

因为JVM采用自己的一套指令系统，所以JVM通过执行引擎来运行字节码。不同JVM采用的执行技术不尽相同，常见的主要有3种，分别是解释、即时编译和自适应优化，简要介绍如下。

• 解释：第一代JVM采用解释执行，它将字节码解释为本地系统所能理解的机器码。由于在运行时才一条一条解释成机器码，因此该方式的执行效率较低。
• 即时编译：即时编译（Just-In-Time Compilation，JIT）属于第二代JVM。当JVM发现某个代码块会特别频繁的运行时，就把该代码块全部编译成机器码，再执行编译好的这段机器码。通过将多次解释减少到一次编译，从而提高程序的运行效率。
• 自适应优化：该方式在即时编译的基础上继续改进，首次运行时对所有代码都采取解释执行，接着监视代码的执行情况，对那些经常调用的方法启动一个后台线程，将其编译为机器码并加以优化。如果某个方法不再频繁使用，就取消它对应的编译代码，恢复对其解释执行。

4．本地方法接口

本地方法接口（Java Native Interface，JNI）允许JVM上的程序调用本地程序和类库，或者被对方调用。这些本地程序和类库由其他语言编写，例如C语言、C++语言或汇编语言。通过JNI的协助，JVM能够让Java程序调用已经存在的本地支持库，而无须关心底层的实现过程，这类本地服务包括但不限于：文件的输入输出、图像的加工处理、音视频的录制与播放等。

5．垃圾收集模块

因为任何设备的内存都是有限的，所以JVM提供了垃圾收集机制，也就是回收那些已经不用的对象，把它们占用的内存空间释放出来重新利用。譬如租房子，等到原来的房客离去之后，管家就要重新收拾这个房子，打扫干净再去招徕新的房客。

总结一下，JVM各模块的体系结构及其相互关系如图1-38所示。

图1-38　JVM各模块的体系结构