JVM 虚拟机篇 - 01：探索 JVM 的世界

JVM（Java Virtual Machine），即 Java 虚拟机，是 Java 编程领域的核心基石，它承载着 Java 程序运行的关键使命。

一、JVM 的重要地位

JVM 在 Java 生态系统中占据着不可替代的位置。它是 Java 实现 “一次编写，到处运行” 这一跨平台特性的关键保障。开发人员编写的 Java 代码，经过编译后生成字节码文件（.class 文件），这些字节码文件并不能直接在操作系统上运行，而是需要 JVM 的支持。JVM 为字节码文件提供了一个抽象的、独立于操作系统的运行环境，使得 Java 程序可以在不同的操作系统（如 Windows、Linux、macOS 等）上无缝运行，无需为每个操作系统重新编写代码。

例如，一个简单的 Java 后端服务应用程序，在开发完成并编译成字节码后，只要目标系统安装了相应版本的 JVM，就可以顺利启动和运行，而不管这个系统是服务器端的 Linux 系统还是开发人员本地的 Windows 系统。

二、JVM 的内部结构概述

JVM 内部是一个复杂而精巧的体系，它主要由以下几个部分组成：

类加载器（ClassLoader）
类加载器负责将字节码文件加载到 JVM 中。它遵循双亲委派模型等机制，确保类的加载过程安全且有序。例如，当一个类需要被加载时，首先会由当前类加载器委托给父类加载器去尝试加载，如果父类加载器无法加载，才会由当前类加载器进行加载。这一机制避免了类的重复加载和核心类被恶意篡改等问题。
运行时数据区
这是 JVM 内存管理的核心部分，包括程序计数器、Java 堆、方法区、虚拟机栈和本地方法栈等。
- 程序计数器：它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在多线程环境下，每个线程都有自己独立的程序计数器，用于记录当前线程执行的位置，以便在线程切换后能够准确地恢复执行。
- Java 堆：是 JVM 中内存最大的一块，用于存储对象实例。所有的对象实例以及数组都在堆上分配内存。它是垃圾回收器管理的主要区域，根据不同的垃圾回收算法，堆可以进一步划分为不同的区域，如新生代和老生代等。
- 方法区：用于存储已被 JVM 加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。在 Java 8 之后，方法区的实现方式发生了变化，使用元空间（Metaspace）代替了永久代（PermGen）。
- 虚拟机栈：每个线程在创建时都会创建一个自己的虚拟机栈，用于存储栈帧。栈帧中包含了局部变量表、操作数栈、动态连接、方法返回地址等信息。每当一个方法被调用时，就会创建一个新的栈帧并压入虚拟机栈，方法执行完成后，栈帧弹出。
- 本地方法栈：与虚拟机栈类似，不过它是为本地方法（使用 native 关键字修饰的方法）服务的。
执行引擎
执行引擎负责将字节码解释或编译成机器码并执行。它采用了多种执行方式，包括解释执行和即时编译（Just - In - Time Compilation，JIT）等。解释执行是逐行解释字节码并执行，速度相对较慢；而 JIT 编译器会在程序运行过程中，将热点代码（经常被执行的代码）编译成机器码，提高执行效率。
本地接口（Native Interface）
本地接口为 JVM 与本地方法库（通常是用 C 或 C++ 编写的代码）之间提供了交互的桥梁。通过本地接口，Java 代码可以调用本地方法库中的函数，实现一些对性能要求极高或者需要与底层硬件交互的功能。

三、JVM 与后端 Java 代码的交互

在后端开发中，Java 代码的执行完全依赖于 JVM。当我们启动一个 Java 应用程序时，JVM 开始工作。它首先通过类加载器加载应用程序的字节码文件，然后在运行时数据区为程序分配内存，执行引擎开始执行字节码指令。

以下是一个简单的 Java 后端代码示例：

public class HelloJVM {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个简单的对象，这个对象会被存储在堆中
        String greeting = "Hello, JVM!";
        System.out.println(greeting);
    }
}

在这个例子中，main方法是程序的入口。当 JVM 执行这个方法时，String对象greeting会在堆上分配内存，System.out.println语句的执行涉及到虚拟机栈中的操作，而整个HelloJVM类的加载则是由类加载器完成的。