JVM体系结构：JVM类加载器和运行时数据区

各位读者好！在JVM系列的上一篇文章中，开发人员了解了Java虚拟机（JVM）及其体系结构。本教程将帮助开发人员正确回答以下主题的问题：

ClassLoader子系统
运行时数据区

1.简介

在继续之前，让我们看一下Java虚拟机及其基本特征。

1.1什么是Java虚拟机（JVM）？

Java虚拟机（JVM）是驻留在您的计算机上的抽象虚拟机，并为Java字节码提供了运行时环境以供执行。 JVM可用于许多硬件和软件平台，但是很少有Java开发人员知道Java运行时环境 （JRE）是Java虚拟机 （JVM）的实现。 JVM分析字节码，对其进行解释，然后执行相同的字节码以显示输出。

JVM的基本功能是执行已编译的.class文件（即字节码）并生成输出。 请注意 ，每个操作系统都有一个不同的JVM，但是在所有操作系统上生成的字节码输出都是相同的。这意味着在Windows操作系统上生成的字节码也可以在Linux操作系统上运行，反之亦然，从而使Java成为独立于平台的语言。

图1：Java虚拟机概述

1.1.1 JVM做什么？

Java虚拟机执行以下操作：

加载所需的.class和jar文件
分配参考并验证代码
执行代码
为Java字节码提供运行时环境

1.1.2 JVM内部架构

下图显示了符合JVM规范的Java虚拟机的关键内部组件。

图2：Java虚拟机架构

下面分别解释图2中所示的类加载器和运行时数据区域组件。

1.2 ClassLoader子系统

类加载器子系统是Java虚拟机的基本核心，用于加载/读取.class文件并将字节码保存在JVM方法区域中。该子系统处理动态类加载功能，并执行三个主要功能，即：

加载：此组件处理将.class文件从硬件系统加载到JVM内存并存储二进制数据（例如完全限定的类名，直接父类名，有关方法，变量，构造函数的信息等）。在方法领域。对于每个已加载的.class文件，JVM会立即在堆存储器上创建一个类型为java.lang.class的对象。 请记住 ，即使开发人员多次调用一个类，也只会创建一个类对象。类加载器主要有三种类型：
- Bootstrap或Primordial ClassLoader ：该类加载器负责加载rt.jar存在的内部核心Java类以及java.lang.*包中存在的其他类。
链接：此组件执行类或接口的链接。由于此组件涉及新数据结构的分配，因此它可能会抛出OutOfMemoryError并执行三个重要的活动：
- 验证：这是检查类的二进制表示形式并验证生成的.class文件是否有效的过程。
初始化 ：此组件执行类加载的最后阶段，在该阶段中，所有静态变量都被分配了原始值，并且静态块从父类执行到子类。由于JVM是多线程的，因此此过程需要仔细的同步，并且某些线程可能会尝试同时初始化同一类或接口。

图3：ClassLoader子系统概述

1.2.1 ClassLoader如何在Java中工作？

Java中的类加载器以三个原则工作，即委托， 可见性和唯一性 。

图4：Java中的类加载机制

代表团 ：据此：
- 每当虚拟机遇到类时，JVM都会检查是否加载了指定的.class文件。
可见性 ：据此：
- 应用程序类加载器可以看到父类加载器加载的类，但反之亦然，例如，如果类是由系统类加载器加载的，而稍后再次尝试使用扩展类加载器显式加载相同的类，则将抛出ClassNotFoundException 。运行。
唯一性 ：据此：
- 由父类加载器加载的类不应该由子类加载器需要重新加载

1.2.2如何在Java中加载类？

类加载器是分层的。应用程序中的第一个类是借助static main()方法专门加载的。所有后续类都可以通过静态或动态类加载技术来加载。

静态类加载 ：在这种技术中，类是通过new运算符静态加载的
动态类加载 ：在这种技术中，使用Class.forName()或loadClass()方法以编程方式加载类。两者之间的区别在于，前者在加载对象后初始化该对象，而后者仅加载该类但不初始化该对象

1.3运行时数据区

如图5所示，该子系统分为五个主要部分，即

图5：JVM运行时数据区

方法区域 ：此组件保存每个.class文件的类级别数据，例如元数据，常量运行时池，静态变量，方法的代码等。每个JVM只有一个方法区域，并且在所有类之间共享。默认情况下，分配给该区域的内存是由JVM分配的，或者可以根据计算需要增加。以下异常情况与此区域相关，即
- 如果方法区域不满足内存分配请求，那么JVM会抛出OutOfMemory错误
堆区域 ：此组件是JVM内存的一部分，所有对象及其对应的实例变量和数组都存储在JVM内存中。该内存区域是在JVM启动时创建的，并且只有一个堆区域跨多个线程共享，因为存储在该区域中的数据不是线程安全的。如果存储在堆内存中的对象没有引用，则垃圾回收器 （即自动存储管理系统）回收该对象的内存；此区域中的对象永远不会显式释放。以下异常情况与此区域相关，即
- 如果计算需要的堆空间超过可用的堆空间，那么JVM会抛出OutOfMemory错误
堆栈区域 ：该组件还是JVM内存的一部分，所有临时变量都存储在该内存中。该区域具有堆栈帧，并为每个线程分配一个帧。一旦线程执行完成，该框架也会被破坏。堆栈区域是线程安全的，因为它不是共享资源，并且分为三个子实体，例如：
- 局部变量数组：虚拟机使用这些局部变量在方法调用时传递参数
以下异常情况与此区域相关，即
- 如果线程处理要求虚拟机堆栈超出其允许的限制，则JVM会引发StackOverflow错误
PC（程序计数器）寄存器 ：该组件保存当前正在执行的JVM指令的地址。 Java中的每个线程都有其自己的PC寄存器来保存当前执行指令的地址
本机方法堆栈 ：此组件用另一种语言编写，并保存本机方法信息。 Java中的每个线程都有一个单独的本机方法堆栈。以下异常情况与此区域相关，即
- 如果线程处理需要本机堆栈超出其允许的限制，则JVM会引发StackOverflow错误